(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
無機粒子と化学的に結合した側鎖基を有するポリマーを含む複合組成物であって、
無機粒子は、２ｎｍから５００ｎｍの平均一次粒子直径を有し、
側鎖基は、カーボネート基、ウレタン基、無水物基、スルフィド基、ジスルフィド基、ヒドロカルビル基、ホスホネート基、またはこれらの組合せを含み、
無機粒子は、金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物または元素金属を含む複合組成物。
【請求項２】
無機粒子、および無機粒子と化学的に結合したポリマーを含む複合組成物であって、
無機粒子は、元素金属を含み、
無機粒子は、２ｎｍから５００ｎｍの平均一次粒子直径を有し、
無機粒子との化学結合が無機粒子とチオール基、カルボキシル基、アミン基、または水酸化物基との結合から形成されている複合組成物。
【請求項３】
ポリマーと、金属／半金属の窒化物を含む無機粒子の集団とを含む複合組成物であって、
該粒子は、水酸化物基、アミン基を含む化学的結合を介して化学的に結合しており、該結合は、ポリマーと化学的に結合しており、
無機粒子は、２ｎｍから５００ｎｍの平均一次粒子直径を有する複合組成物。
【請求項４】
ブロックコポリマーと化学的に結合した無機粒子を含む複合組成物であって、
無機粒子は、２ｎｍから５００ｎｍの平均一次粒子直径を有し、
無機粒子は、金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物または元素金属を含み、
無機粒子との化学結合が無機粒子とアルコキシシラン基、チオール基、カルボキシル基、アミン基、または水酸化物基との結合から形成されている複合組成物。
【請求項５】
無機粒子の平均一次粒子サイズは、５ｎｍから１００ｎｍの範囲である請求項１〜４のいずれかに記載の複合組成物。
【請求項６】
複合物構造全体によく分散した、安定に統合した無機粒子を含む請求項１〜５のいずれかに記載の複合組成物。
【請求項７】
表面と、
表面上の境界内で局所化している請求項１〜６のいずれかに記載の複合組成物とを備える構造。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれかに記載の複合組成物を備える光学デバイス。
【請求項９】
請求項１〜６のいずれかに記載の複合組成物を備える電気デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２００１年１月２６日に出願された、発明の名称「ポリマー−無機粒子複合物」の米国仮出願番号６０／２６５１６９について優先権を主張し、これは参照によってここに組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、無機粒子とポリマーを組み合せた複合物に関する。さらに本発明は、別の化合物、特にポリマーと化学結合するために機能化された無機粒子に関する。
【０００３】
種々の分野での進歩は、多くのタイプの新しい材料に関する需要を生成している。特に、化学パウダーは多くの異なるプロセス関連において使用可能である。具体的には、無機パウダーは、フラットパネルディスプレー、電子回路および光学的、電気光学的材料などの電子デバイスの生産に使用可能である。
【０００４】
同様に、技術的進歩は、プロセスパラメータに関する厳しい許容度でもって改良された材料プロセスについての需要を増加させている。更なる小型化が続くにつれて、材料パラメータはより厳しい許容度の範囲に入ることが必要になる。現在の集積回路技術は、サブミクロン尺度のプロセス寸法に関する許容度を既に要求している。自己集合(self-assembly)の手法が開発されており、極薄フィルム材料の応用について追加の選択肢を用意している。しかし、自己集合の手法は、一般に、特定の手法によって沈殿(deposit)し得る材料のタイプに関して限界がある。
【０００５】
機械、電気および光学の構成部品を集積デバイスに統合化または集積化することは、材料プロセスに関する更なる需要を生成している。従って、基板に適用されて特定の機能を果たす特定の組成物の形成には大きな関心がある。これらの材料から高品質の光学コーティングを持つ光学デバイスを形成するためには、コーティングは高度に均一でなければならない。
【０００６】
複合材料は、所望の特性を持つ異なる材料を組み合せて、改良された材料を得るために使用できる。その代わり、複合材料は、ある材料と所望の特性を持つ他の材料との関連付けにより、改良されあるいはより柔軟なプロセス能力を獲得するように形成することができる。こうして複合材料では、所望の特性を持つある材料は、複合物の中の他の組成によって実現できるプロセス能力に基づいて、より広い範囲の構造の中に組み込むことができる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の態様において、本発明は、無機粒子に化学結合した側鎖基(side groups)を有するポリマーを含有する複合組成物(composite composition)に関する。ポリマーは、オリゴマーを広く含むものである。
【０００８】
他の態様において、本発明は、複数の官能基を有する結合を介してポリマーに化学結合した無機粒子を含む複合組成物に関するもので、該ポリマーは、ポリアミド(polyamides)、ポリカーボネート(polycarbonates)、ポリイミド(polyimides)、ポリホスファゼン(polyphosphazenes)、ポリウレタン(polyurethanes)、ポリアクリレート(polyacrylates)、ポリアクリルアミド(polyacrylamides)、ヘテロ環(heterocyclic)ポリマー、ポリシロキサン(polysiloxanes)、ポリアクリロニトリル(polyacrylonitrile)、ポリアクリル酸(polyacrylic acid)、ポリビニルアルコール(polyvinyl alcohol)、ポリ塩化ビニル(polyvinyl chloride)、共役(conjugated)ポリマー、芳香族(aromatic)ポリマー、電気伝導性ポリマーおよびこれらの混合からなる群から選択される。ポリマーは、無機粒子と化学結合可能な官能側鎖基及び／又は末端部(terminal sites)を有し、これらは一般に、リンカー化合物(linker compound)との結合によって機能付与(functionalize)される。
【０００９】
本発明はまた、化学結合した無機粒子と、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリホスファゼン、ポリウレタン、ヘテロ環ポリマー、ポリシロキサン、ポリアクリルニトリル、ポリアクリル酸、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニル、共役ポリマー、芳香族ポリマー、電気伝導性ポリマーおよびこれらの混合からなる群から選択されたポリマーとを含む複合組成物に関する。該ポリマーは、ポリマー鎖の末端部において無機粒子と化学結合している。
【００１０】
更なる態様では、本発明は、無機粒子と化学結合したポリマーを含み、該無機粒子が金属で構成される複合組成物に関する。
【００１１】
さらに、本発明は、アミン(amine)基、アミド(amide)基、スルフィド(sulfide)基、ジスルフィド(disulfide)基、アルコキシ(alkoxy)基、エステル(ester)基、酸無水物(acid anhydride)基を含む化学結合を介して化学的に結合した、金属／半金属(metalloid)の酸化物または金属／半金属の窒化物からなる粒子の集団(collection)に関する。結合は、ポリマーと化学的に結合される。
【００１２】
さらに、本発明は、化学的に結合した無機粒子と、別個のポリマーの混合物とを含む複合組成物に関する。
【００１３】
追加の態様において、本発明は、表面と、表面上の境界内で局在した複合物とを備える構造に関する。該複合物は、ポリマーと化学結合した無機粒子を含む。
【００１４】
別の態様において、本発明は、化学結合したポリマー無機粒子複合物を形成するための方法に関する。該方法は、ポリマー単位の側鎖(side chain)官能基を、無機粒子に結合したリンカー化合物の官能基に結合させることを含む。
【００１５】
追加の態様では、本発明は、複合物を備える光学デバイスに関する。該複合物は、ポリマーと、該ポリマーに化学結合した無機粒子とを含む。
【００１６】
更なる態様では、本発明は、固体基板の上にデバイスを形成するための方法に関する。該方法は、複合物を固体基板に会合(associate)させることを含む。該複合物は、無機粒子に化学結合したポリマーを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
複合またはハイブリッド材料は、一般に、リンカー化合物と無機のナノ粒子およびモノマー／ポリマー単位との化学結合によって形成される。幾つかの実施形態では、ポリマーは無機粒子と直接に結合している。リンカー化合物の使用によって、高く分散した無機粒子を持つ均一なポリマー−無機粒子複合物を形成できる。具体的には、堅固な凝集形成をもたらし得る自分自身との結合が容易に生じない基を用いて、粒子に機能付与(functionalize)できれは、粒子が凝集しないで高い粒子添加を達成できる。複合物は、組合せた構成要素についての相乗作用(synergistic effect)を示すことになろう。組合せの利点は、構造的なもの、電子的なもの、あるいは光学的なものである。
【００１８】
複合物は、種々の有用なデバイス、特に光学デバイスおよび光子結晶の形成のために、基板上の層として形成可能である。同様に、複合物は、例えば適切な局所化機構を伴う自己集合によって、特定のデバイスの中に局在させることができる。あるいは、複合物は、ファイバなどの自立した構造の中に形成することが可能である。
【００１９】
こうして複合物は、モノマー／ポリマー構成要素と、無機粒子と、無機粒子およびモノマー／ポリマーを架橋するリンカー化合物とを含む。リンカー化合物と連結するモノマー単位の場合、ポリマーは、複合物の形成とともに形成される。記述の簡略化のため、リンカーと連結して複合物の中に組み込まれるモノマー／ポリマー単位は、ポリマーとして広く参照することにするが、幾つかのケースでは、該単位は、モノマーまたは、二量体、三量体あるいはより大きなポリマー構造などのポリマーである。
【００２０】
ポリマーの範囲(range)は、複合物の中に組み込むのに適切なものであり、有機ポリマーおよび、ポリシロキサンなどの無機ポリマーの両方を含む。もし機能付与された無機粒子を用いて反応させる前にポリマーが形成される場合、ポリマーの分子量は、結果として得られる複合物の特性を変化させるように選択可能になる。ポリマーは、リンカー化合物の官能基と共有結合する適切な官能基を含むように、選択または合成される。
【００２１】
リンカー化合物は、２つ又はそれ以上の官能基を有する。リンカーの１つの官能基は、無機粒子と化学結合するのに適切なものである。化学結合は、ある程度の共有電子的性質を伴い、極性結合を伴ったり伴わなかったりする結合を広く網羅するものであり、いろいろな程度のイオン結合を伴う配位子−金属結合の特性を有することができる。官能基は、さらに後述するように、無機粒子の組成に基づいて選択される。リンカーの他の官能基は、ポリマーと共有結合するのに適切なものである。共有結合は、シグマ結合、パイ結合、他の非局在共有結合、及び／又は他の共有結合タイプを伴う共有結合として広く参照され、イオン結合成分などを伴ったり伴わなかったりする極性結合でも構わない。好都合なリンカーは、機能付与された有機分子を含む。
【００２２】
幾つかの実施形態において、ポリマーは無機粒子をポリマー網目の中に組み込んでいる。これは、リンカー化合物の官能基をポリマー分子の末端基と反応させることによって実施できる。代わりに、無機粒子は、重合プロセスの間、機能付与された無機粒子が形成中のポリマー構造の中に直接組み込まれるようにして、存在することができる。他の実施形態において、リンカーの官能基をポリマーの側鎖基上にある官能基と反応させることによって、無機粒子がポリマー上にグラフト接合される。いずれの実施形態において、表面が修飾(modified)／機能付与された無機粒子は、もし充分なリンカー分子が存在し、即ち、エネルギー障壁を克服して、少なくともポリマーに対して２つ又はそれ以上の結合リンクを形成するのに充分であれば、ポリマーと架橋することができる。一般に、無機粒子は、粒子と会合する多くのリンカーを有することになる。こうして実際には、架橋は、ポリマー−粒子の配置、分子運動と化学動力学との組合せである２つの架橋基の統計的な相互作用に依存する。
【００２３】
無機粒子は、ある範囲の添加量で複合物の中に組み込まれる。低い粒子添加量の複合物は、高い均一性で生産可能である。さらに、約５０重量％またはそれ以上までの高い無機粒子添加量は、よく分散した粒子とともに達成可能である。さらに、無機粒子に結合したリンカー化合物の量は、ポリマーとの架橋の程度を変化させるようにして調整可能である。
【００２４】
無機粒子は、一般に、金属または半金属(metalloid)の元素を、元素の形態または化合物の形態で含んでいる。具体的には、無機粒子は、例えば、元素状態の金属や元素状態の半金属、即ち、イオン化していない元素や、金属／半金属の酸化物、金属／半金属の窒化物、金属／半金属の炭化物、金属／半金属の硫化物、あるいはこれらの組合せを含有できる。半金属は、金属および非金属を含め、これらの中間的な化学的特性を示す元素である。半金属元素は、シリコン(silicon)、ホウ素(boron)、ヒ素(arsenic)、アンチモン(antimony)、およびテルル(tellurium)を含む。好ましい粒子は、約５００ナノメータ（ｎｍ）より小さい平均直径を有する。好適なナノ粒子は、例えば、火炎合成、燃焼またはゾルゲル手法によって形成可能である。粒子を合成するための好ましい方法は、強度の集光光源からの光が反応を活性化して粒子を形成するようにしたレーザ熱分解(pyrolysis)を含む。レーザ熱分解は、組成、結晶性、サイズの点で高度に均一な粒子形成に有用である。
【００２５】
所望の組成を形成するために、無機粒子は、１つ又はそれ以上のリンカー分子と化学結合することによって、表面上で修飾されている。無機粒子に対するリンカー組成比は、好ましくは、少なくとも無機粒子当り１つのリンカー分子である。リンカー分子の表面は、無機粒子を修飾し、即ち、無機粒子に機能付与している。リンカー分子が無機粒子に結合する一方で、ポリマーと結合する前に必ずしも無機粒子と結合している必要はない。これらは、最初にポリマーと結合して、そして粒子と結合することが可能である。代わりに、これらは２種類と同時に結合することが可能である。
【００２６】
複合物を合成するための好ましいプロセスにおいて重要な手順は、液体中での無機粒子の分散に関係する。溶媒、ｐＨ、イオン強度および他の添加物は、粒子の分散を改善するように選択可能である。より良い粒子分散および分散安定性は、結果として得られる複合物において粒子の凝集を減らすのに役立つ。
【００２７】
粒子分散の形成中または形成後に、分散は、リンカー分子及び／又はポリマーと相互作用する。一般に、リンカーは、無機粒子分散及び／又はポリマー分散を形成するのに使用される液体に溶解可能であり、リンカーは、溶液から結合の際に、均質に溶解するようになる。粒子分散およびポリマー分散／溶解の組合せのための条件は、リンカー、無機粒子およびポリマーの間の結合を形成するのに適切なものにすべきである。リンカーを無機粒子およびポリマーに追加する順序は、所望のプロセス効率を達成するように選択可能である。いったん複合物の構成要素間の結合を完成するのに充分な時間が経過すると、複合物はさらにプロセス処理が可能になる。
【００２８】
いったん形成すると、ポリマー−無機粒子複合物は、他の溶媒へ移送したり、溶媒から除去することが可能になる。複合物は、ポリマープロセス技術を用いて、型成形、押出し成形、キャスト成形や他のプロセス処理が可能であり、種々の形状を持つ材料を形成できる。さらに複合物は、スラリーベースの溶媒でコートしたり、スピンコートなどが可能であり、複合物のコーティングを形成できる。コーティング形成に続いて、いずれの溶媒も除去可能である。コーティングは、標準的なマスク技術を用いて構成できる。さらに、自己集合技術は、複合物の構成要素の特性を利用でき、さらに後述するように、基板上での構造形成を援助する。
【００２９】
広範囲の無機粒子およびポリマーが、ここで説明する複合物の中に組込み可能であり、複合物は広範囲の応用に好適なものになる。特に、複合物材料は、光学および電子の分野で有用である。例えば、もし無機粒子が高い屈折率を有する場合、種々の光学デバイスまたは光学コーティングが、広い範囲で制御可能な屈折率の値で形成可能である。例えば、複合物は、光ファイバに高い屈折率のコーティングを形成するのに使用できる。高い屈折率材料は、光の伝搬を制御するのに望ましいものである。複合物の屈折率は、粒子添加量を調整することによって、制御可能である。
【００３０】
無機粒子およびポリマーの別の複合物は、特定の応用について提案されている。例えば、米国特許第５６９８３０９号、Dallmann et al.、発明の名称「共有結合した酸化物粒子を含有するポリエステルからなる型成形された本体」は、参照によってここに組み込まれ、酸化物粒子を有するポリエステルポリマーを含む型成形品を開示している。同様に、米国特許第５４９４９４９号、Kinkel et al.、発明の名称「表面修飾された酸化物粒子およびポリマー材料でのフィラーおよび修飾剤としての使用」は、参照によってここに組み込まれ、ポリエステル−酸化物粒子複合物を開示している。さらに、米国特許第５９６５２９９号、Khan et al.、発明の名称「表面修飾された燻蒸シリカを含有する複合電解質」は、参照によってここに組み込まれ、ビニルポリマーとシリコン酸化物粒子の複合物を含む固体リチウム電解質を開示している。これらの特許におけるポリマー、無機粒子、複合物構造のタイプ及び／又は結合のタイプは、ここで各種の実施形態で記載している相応の複合物およびその構成要素とは相違する。さらに、ポリマー／無機粒子複合物について異なる応用およびプロセス手法が見出されている。
【００３１】
（ポリマーおよび無機粒子の複合物）
ここで記載したポリマー−無機粒子複合物は、好ましくはリンカー化合物を介して、ポリマーに結合した無機粒子を含む。リンカー化合物は多機能な化合物であり、例えば、無機粒子およびポリマーの両方に化学結合する二官能性化合物である。ポリマーとリンカーとの間の化学結合は、一般に、電子対共有である。リンカーと無機粒子表面との間の化学結合は、一般に、無機複合物中の他の原子の可能な関与を伴った、官能基と金属原子との結合に関係している。リンカーがポリマーおよび無機粒子の両方に結合した後、リンカー化合物をポリマーと連結させる結果物としての官能基と、リンカー化合物を無機粒子と連結させる第２の結果物としての官能基とに関係して結合が形成される。結果物または生成物としての官能基は、初期のリンカー官能基に関係した反応の反応生成物である。こうしてリンカーの初期存在は、ポリマーと無機粒子との間の結合における結果物としての複数の官能基の存在によって、結果物としての複合物の中で同定できる。初期のリンカー化合物の官能基の特性は、結果物としての官能基の特性に基づいて、最終的な複合物で唯一のものとして同定可能であったり、そうでないかもしれない。２つ以上の官能基は、結合において見出すことができ、例えば、複数のリンカー分子が関係している場合、リンカーが２つ以上の官能基を含む場合、あるいはポリマー側鎖が初期に１つ以上の官能基を含む場合である。
【００３２】
無機粒子は、リンカー化合物を介してポリマー構造の中に結合可能であり、または粒子はポリマーの側鎖基にグラフト結合が可能である。結合した無機粒子は、大部分の実施形態において、ポリマーと架橋することができる。具体的には、大部分の実施形態は、単一の無機粒子と幾つかのポリマー基とのスター架橋に関係する。複合物の構造は、一般に、リンカーの密度、リンカーの長さ、カップリング反応の化学反応性、ポリマー上での反応性基の密度に加えて、粒子の添加量、ポリマーの分子量範囲（即ち、モノマー／ポリマー単位）によって、制御可能である。代わりの実施形態では、ポリマーは、末端部または側鎖基において無機粒子と直接に結合する官能基を有する。これらの代わりの実施形態では、ポリマーは、無機粒子と結合するための適切なリンカー官能基と同等な官能基を含む。
【００３３】
複合物は、好ましくは、複合物構造全体によく分散した無機粒子を安定に統合している。この方法では、複合物内部で重大な粒子凝集が起こらずに、無機粒子の高い添加量が達成可能である。安定な複合物は、約５０重量％より大きい添加量の無機粒子で生産可能であり、約８０重量％より大きいものも可能である。当業者であれば、これらの特定の数値以下の粒子添加量はここでの開示範囲によって網羅され、添加量の範囲について適当なカットオフ数値であることを認識するであろう。低い添加量のもの、例えば１％または２％あるいはそれより小さいものも、ある応用では所望される。
【００３４】
高屈折率材料を形成するには、一般に、高い粒子添加量が用いられる。複合物の屈折率は、無機粒子とポリマーの体積比によって近似的なリニア組合せであると予想される。ナノ粒子の使用は、高い透明性およびより大きな無機粒子に比べて減少した光散乱の光学材料についての利点を有し、特に、約０．８ミクロンから約５．０ミクロンの波長を含む電磁波スペクトルの赤外部分での散乱を低減するのに有効である。
【００３５】
化学結合したポリマー／無機粒子複合物を形成する基本的なアイデアに基づいて、種々の構造が形成可能である。得られる構造は、一般に、ポリマー／モノマー、リンカーおよび無機粒子の相対的な量、ならびに合成プロセス自体に依存するであろう。リンカーは、カップリング剤または架橋剤としても同定され得る。第１の複合物構造は、図１に示している。複合物１００は、無機粒子１０２と、ポリマー分子１０４と、リンカー１０６とを含む。本実施形態において、無機粒子は、おおよそ粒子当り１つの結合を有し、ポリマー分子の端部に結合している。本実施形態は、原理の簡単な描写のために図示しているが、実際には、一般に多くのリンカーが各粒子に結合して、所望レベルのポリマーが粒子に結合するようになる。部分(moiety)同士の化学／共有結合１０８は、ドットで示している。
【００３６】
図１に示す構造において、各無機粒子は、おおまかに１つのポリマー鎖に結合しているが、一般には、無機粒子の少なくとも小さい部分がポリマー鎖に結合していなかったり、１つ以上のポリマー鎖に結合していたりする。無機粒子当り平均で１つのリンカーが存在していても、図１の構造は形成されないかもしれない。リンカーと無機粒子とが連結する間の条件に依存して、幾つかの無機粒子は２つ以上のリンカーに結合可能であるが、別の無機粒子はいずれのリンカーに結合しないかもしれない。
【００３７】
さらに、ポリマーと表面修飾粒子との相対的な量は、ポリマー分子が、無機粒子およびリンカーと両端で結合するか、一端だけで結合するかに影響を及ぼす。例えば、ポリマーがかなり高い当量／モル濃度で存在する場合、大部分のポリマー分子は、せいぜい１つの結合無機粒子を有することになろう。しかしまた、混合量および他のプロセスパラメータも最終的な構造に影響を及ぼすことがある。
【００３８】
一般に、多数の架橋分子が無機粒子の各々に結合する。リンカーの妥当な部分がポリマーに結合すると、無機粒子は、結合したリンカーとともにポリマーと架橋する。例えば、架橋した無機粒子が関係した構造は、図２に示している。本実施形態において、複合物１１０は、複数のリンカー１０６と結合した大部分の無機粒子１０２を含む。そして、リンカー修飾された無機粒子は、ポリマー分子１０４と架橋するように機能する。構成要素ラベルの代表的なものが図示されている。省略記号は、連続した架橋構造を示すのに用いている。
【００３９】
図１の構造と図２の構造との大きな相違は、結合の相対量に関係している。図１の構造は、無機粒子当りおおよそ１つのリンカー分子を有するのに対して、図２の構造は、無機粒子当り１より多い数のリンカー分子を有する。上述したように、無機粒子当りおおよそ１つのリンカーが存在する場合でも、多くの粒子が１つ以上のリンカー分子と結合しつつ他の粒子はリンカーと結合していないという条件下で粒子の表面修飾が行われれば、表面修飾無機粒子はポリマーと架橋することができる。架橋したポリマーの詳細な構造は、図２に示すように、リンカー、無機粒子およびポリマー分子の相対的な量、さらにはリンカーのサイズ、リンカーの化学反応性およびプロセス条件に依存することになる。リンカーもまた複合物と架橋できるように、リンカーは２つ以上の官能基を有することができる。
【００４０】
好ましい実施形態において、リンカーは、粒子の表面上に少なくともかなりの割合の単層を形成するように付着される。特に、好ましくは、少なくとも約２０％の単層が粒子に付着し、一般に少なくとも約４０％の単層が付着する。単層は、粒子の表面積の測定および一般に是認された原子半径の数値に基づいたリンカーの分子半径の推測に基づいて計算される。こうしたリンカーの被覆範囲が高い場合、リンカーは、ポリマーと高度に架橋した構造を形成すると考えられる。各無機粒子では、スター架橋構造が形成される。これは、図３に概略的に示しており、無機粒子１０２は、ポリマー分子１０４と順に結合した多くのリンカー１０６と結合している。高度に架橋した構造は、無機粒子でのスター結合を生じさせる。これらの構造は、低い粒子濃度または粒子表面から始まるポリマー成長にも関係すると考えられる。
【００４１】
他の複合物構造１１２は、図４に示しており、表面修飾無機粒子の存在によって重合が生じている。粒子は、ポリマー構造の不可欠な部分になっている。複数の異なるモノマー単位は、コポリマーが形成されるようにして使用できる。適切に選択された、官能基及び／又は連続的重合を形成するための重合条件を用いて、ブロックコポリマーが形成可能である。ブロックコポリマー構造はさらに後述する。図４の実施形態において、無機粒子１０２およびリンカー１０６に対するモノマー１１４の相対量は、正確な構造を決定する。図４に示すように、モノマー１１４は、他のモノマー１１４またはリンカー１０６に結合する。代わりの実施形態では、モノマーは、リンカー分子だけに結合し、他の他のモノマーには結合しないような官能基を含むことができる。こうした代わりの実施形態では、表面修飾無機粒子は、無機粒子およびリンカーがポリマー内での繰り返し単位として機能するようなポリマー構造の形成に不可欠となる。
【００４２】
図４の複合物１１２における架橋の程度は、無機粒子およびモノマーに対するリンカーの相対量に依存する。さらにモノマーは、３つ又はそれ以上の共有結合を形成する能力を持つことによって、自己間で架橋する能力を含むことができる。こうして種々の構造が形成可能になる。図４において、明確化のためラベル番号の代表的な例だけを図示しており、省略記号は更なる構造を示すのに用いている。
【００４３】
グラフト結合した無機粒子を伴う複合物の実施形態は、図５に示している。複合物１４０は、官能側鎖基１４６を有するモノマー１４４を伴うポリマー１４２を含む。側鎖基１４６は、無機粒子１０２に化学結合したリンカー１０６と共有結合している。勿論、不十分な量の表面修飾無機粒子しか利用できなかったり、ポリアクリル酸を用いたときのように側鎖基の頻度が高い場合には、全ての側鎖基１４６は、無機粒子１０２につながったリンカー１０６と結合しないであろう。
【００４４】
代わりの実施形態は、図６に示している。図６の実施形態において、複合物１６０は、官能側鎖基１６６を有するモノマー１６４と、官能側鎖基無しのモノマー１６８とを備えるコポリマー１６２を含む。無機粒子とのグラフト結合の程度は、モノマー総数に対する官能側鎖基有りモノマーの相対量によって、制御可能である。
【００４５】
リンカー分子の量が増加した場合、グラフト結合した無機粒子もまたポリマー鎖同士の架橋を形成することができる。図７を参照して、複合物１８０は、官能側鎖基１８６を有するモノマー１８４と、官能側鎖基無しのモノマー１８８とを伴うポリマー分子１８２を含む。リンカー１０６を伴う無機粒子１０２は、２つの官能側鎖基同士で架橋することができる。架橋の程度は、全ての構成物の相対量に依存する。
【００４６】
図１〜図７の構造の全てにおいて、ブロックコポリマーを形成する能力が存在する。例えば、リンカーと結合するポリマー鎖は、それ自体でブロックコポリマーが可能である。そして結果として得られた構造は、無機粒子とつながったブロックコポリマーである。１つの形態では、リンカーと結合した無機粒子は、図３のスター結合とともにブロックコポリマーを架橋することができる。こうしたブロックコポリマーは、図８に示している。無機粒子２００は、リンカー２０２と結合している。リンカー２０２は、ブロック２０６，２０８とともにブロックコポリマー２０４と結合している。
【００４７】
図８に示すように、無機粒子は、コポリマーの側鎖基を介してポリマーと結合することによって、複合物を架橋することができる。一般に、無機粒子は、ポリマーのブロックの１つだけ又は両方にある側鎖基と結合可能である。図８に示すように、無機粒子は、コポリマー２０４とグラフト結合している。
【００４８】
他の代わりの実施形態において、各ブロックは、異なるタイプの修飾無機粒子と結合可能である。例えば、１つのタイプの無機粒子は、１つのリンカー分子と結合できるとともに、第２のタイプの無機粒子は、第２のタイプのリンカー分子と結合する。１つのリンカーは、ブロックコポリマーの１つのブロックと結合するのに適当な官能基を有し、第２のリンカーは、ブロックコポリマーの他のブロックと結合するのに適当な官能基を有している。
【００４９】
こうしたコポリマーは、図９に示している。複合物は、第１のタイプの無機粒子２２０と、第２のタイプの無機粒子２２２とを含む。異なるタイプの粒子は、組成、結晶構造及び／又は物理的特性によって異ならせることができる。無機粒子２２０は第１のリンカー２２４と結合し、無機粒子２２２は第２のリンカー２２６と結合している。リンカー２２４は、ブロックコポリマー２３０の第１のブロック２２８と結合し、リンカー２２６は、ブロックコポリマー２３０の第２のブロック２３２と結合している。
【００５０】
異なるブロックの化学組成を、電荷(charge)、極性、疎水性などに関して化学的に相違するように選択した場合、ブロックは溶液中で偏析(segregate)するようになる。この偏析は、自己組織化(self-organization)の形態である。自己組織化特性は、自己集合を実施するのに活用することができる。
【００５１】
種々の実施形態間での特性の相違は、化学的部分(moiety)の詳細、組成物の相対量および複合物の構造に依存するようになる。複合物の代表的な実施形態についは説明している。明らかに、複合物構造について種々の特徴を包含している別の変形例は、説明した種々の複合物構造の特徴の組合せ及び／又は変形によって構築できる。正確な複合物構造は、ポリマーおよびリンカーの性質、構成要素の相対量、プロセス条件に依存することになる。
【００５２】
無機粒子は、結果として得られる複合物材料について所望の特性が出るように選択される。例えば、無機粒子は、例えばそれらの光学特性、電気伝導性、電子／磁気特性、熱膨張などの熱特性、発光(luminescence)、触媒作用などに基づいて選択可能である。適切な無機粒子は、例えば、金属／半金属の粒子、金属／半金属の酸化物、金属／半金属の窒化物、金属／半金属の炭化物、金属／半金属の硫化物、金属／半金属の燐酸塩(phosphate)、およびこれらの混合などを含む。好ましい特性および好ましい無機粒子を合成するための手法の詳細は、下記に示している。
【００５３】
適切なポリマーは、有機ポリマー、シリコンベースのポリマー、他の無機ポリマーを含む。多くの異なるタイプのポリマーは、リンカーと結合可能な末端基及び／又好ましくは側鎖基を有する限り、適切なものである。適切な有機ポリマーは、例えば、ポリアミド（ナイロン）、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリウレタン、ポリアクリルニトリル、ポリアクリル酸、ポリアクリレート、ポリアクリルアミド、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニル、ヘテロ環ポリマー、ポリエステル、および修飾したポリオレフィンなどを含む。ナイロンポリマー、即ちポリアミド、および無機ナノ粒子で形成した複合物は、ナノナイロン(Nanonylon)：登録商標、と呼ばれる。適切なポリマーは、ポリマー主鎖(backbone)内での共役ポリマー、例えばポリアセチレンなどや、ポリマー主鎖内での芳香族ポリマー、例えばポリ（ｐ−フェニレン）、ポリ（フェニレン  ビニレン）、ポリアニリン、ポリチオフェン(polytiophene)、ポリ（フェニレン  スルフィド）、ポリピロール、およびコポリマー、これらの誘導体などを含む。幾つかのポリマーは、官能側鎖基においてリンカーと結合可能である。ポリマーは、本質的に、所望の官能基を含むことができ、所望の官能基を導入するように化学的に修飾したり、所望の官能基の一部を導入するようにモノマー単位と共重合することが可能である。電気伝導性ポリマーは、一定の応用について特に有用となる。ポリアセチレンは、ハロゲンなどの電子アクセプタ、あるいはアルカリ金属などの電子ドナーでドープすると、電気導体になる。ポリマーの混合もまた使用できるが、多くの実施形態において上記ポリマーの１つは、ポリマー／モノマー組成の少なくとも約５０重量％、任意には少なくとも約７５重量％、任意には少なくとも約９０重量％で存在している。同様に、幾つかの複合物は、複合物の中に結合した単一のポリマー／モノマー組成だけを含む。架橋した構造において、繰り返し側鎖基または鎖の中で少なくとも約５０個の炭素−炭素結合を持たなければポリマーとは考えられない炭化水素鎖を除いて、ポリマーは、鎖に沿った３つ以上の繰り返し単位によって、識別可能である。
【００５４】
好ましいシリコンベースのポリマーは、ポリシラン、ポリシロキサン（シリコーン）ポリマー、例えばポリ（ジメチルシロキサン）（ＰＤＭＳ）などを含む。ポリシロキサンは、特にグラフト結合した無機粒子とともに複合物を形成するのに適切である。これらのグラフト結合した複合物を形成するため、ポリシロキサンは、アミノ酸及び／又はカルボン酸の基を用いて修飾可能である。ポリシロキサンは、可視光および紫外光に対する透明性、高い熱安定性、酸化劣化の耐性および疎水性の点で、望ましいポリマーである。他の無機ポリマーは、例えば、ホスファゼンポリマー（ホスホニトリルポリマー）を含む。
【００５５】
ポリアミドは、未反応のカルボン酸基またはアミン基がポリマーをリンカー化合物に共有結合させるのに使用可能であるため、望ましい。種々のポリアミドは、商業的に入手可能であり、所望の機械的特性を有するものであり、例えばナイロン６(Nylon 6)などがある。ポリイミドは、優れた構造的および熱的特性の点で興味深い。特に、幾つかのポリイミドは、極めて高い熱安定性を有する。幾つかのフッ素処理したポリイミドは、低い温度プロセスで紫外光の下で硬化可能である。さらに、幾つかのポリイミドは、少なくとも赤外線に対して部分的に透明である。さらにポリイミドは、液晶の特性を有することができる。ポリイミドは、リンカーの種々の官能基と直接あるいは官能側鎖基を介して結合可能である。
【００５６】
ビニルポリマーは、多くの異なるビニルポリマーが利用可能であるため、低コスト、所望の側鎖基特性を選択する際の柔軟性の点で、魅力的である。ビニルポリマーは、ラジカル開始(radical initiation)によって合成可能である。アクリル系ポリマーは、透明性、側鎖基の機能性の点で、特に興味深い。さらに、アクリル系ポリマーは、ブロックコポリマーへと共重合が可能であり、組織化されたナノスケール構造を形成するのに使用可能である。
【００５７】
リンカーは、無機粒子と結合する少なくとも１つの官能基と、ポリマーと結合する少なくとも１つの官能基とを有する多機能な分子である。官能基は、好ましくは、無機粒子およびポリマーの両方への結合に対してステアリン酸の干渉がないように、リンカー分子の中に位置決めされる。こうしてリンカーは、錯体(complex)の形成に導く結合能力を提供する。好ましい実施形態において、官能基は、無機粒子と結合しようとし、ポリマーに結合する官能基とは化学的および機能的に区別され、そしてリンカーは複合物を形成することなくポリマーや無機粒子とは架橋しないようになる。リンカーが複合物とともに化学的な架橋を形成可能なように、リンカーは２つ以上の官能基を含むことができる。また、リンカーは、リンカーの自己縮合(self-condensation)を好ましくはできる限り多く低減するような方法で処理されるべきである。このとは、オリゴマーまたは樹脂状の架橋を形成するように重縮合が可能な多アルコキシルシランまたは多クロロシランの場合、特に関係している。
【００５８】
官能基を支えるリンカーの枠組み(frame)は、一般に、有機化合物であるが、シリル(silyl)及び／又はシロキシ(siloxy)の部分(moieties)を含むものでもよい。有機リンカーの枠組みは、例えば、直線的または分岐した炭素鎖、環状炭素部分、飽和炭素部分、不飽和炭素部分、芳香族炭素単位、ハロゲン化炭素基およびこれらの組合せを含むいずれか妥当な有機部分を備えることができる。リンカーの構造は、複合物の所望な特性が出るように選択できる。例えば、リンカーのサイズは、複合物の周期性および自己組織化特性に影響を及ぼす制御パラメータである。
【００５９】
ポリマーと結合するための適当な官能基は、ポリマーの機能性に依存する。一般に、ポリマーおよびリンカーの官能基は、周知の結合特性に基づいて適切に選択できる。例えば、カルボン酸基は、チオール(thiols)基、アミン（第１アミンと第２アミン）基およびアルコール基と共有結合する。特別な例として、ナイロンは、リンカーと共有結合するのに適切な形態である未反応のカルボン酸基、アミン基またはこれらの誘導体を含むことができる。さらに、アクリル系ポリマーと結合するためには、ポリマーの一部は、アクリル酸のカルボン酸がリンカーのアミン（第１アミンと第２アミン）、アルコールまたはチオールと結合できるように、アクリル酸またはその誘導体で形成可能である。リンカーの官能基は、特定の組成を持つ粒子及び／又は特定の官能基を持つポリマーだけに選択的な結合を提供することができる。リンカーにとって他の適切な官能基は、例えば、ハロゲン(halogens)、シリル(silyl)基（−ＳｉＲ３−ｘＨｘ）、イソシアネート(isocyanate)、シアネート(cyanate)、チオシアネート(thiocyanate)、エポキシ(epoxy)、ビニルシリル(vinyl silyls)、シリルハイドライド(silyl hydrides)、シリルハロゲン、モノ−，ジ−及びトリ−ハロオルガノシラン(haloorganosilane)、ホスホネート(phosphonates)、有機金属カルボン酸(carboxylates)、ビニル(vinyl)基、アリル(allyl)基、および一般的ないずれかの不飽和炭素基（−Ｒ’−Ｃ＝Ｃ−Ｒ”）（但し、Ｒ’とＲ”はこの構造で結合するいずれかの基。）、を含む。選択的結合は、自己組織化を示す複合物構造を形成する際に有用である。
【００６０】
リンカー官能基を伴うポリマー官能基の反応において、初期の官能基の個性は、結合した構造において結果物または生産物の官能基の中に融合される。結合は、ポリマーから延びるように形成される。ポリマーから延びる結合は、例えば、有機部分(moiety)、シロキシ(siloxy)部分、スルフィド(sulfide)部分、スルホネート(sulphonate)部分、アミン(amine)部分、カルボニル(carbonyl)部分、ヒドロキシル(hydroxyl)部分、またはこれらの組合せを含むことができる。元の官能基の個性は、結果として得られる官能基に依存して、明白であってもなくてもよい。結果として得られる官能基は、一般に、例えば、エステル(ester)基、アミド(amide)基、酸無水物(acid anhydride)基、エーテル(ether)基、スルフィド(sulfide)基、ジスルフィド(disulfide)基、アルコキシ(alkoxy)基、ヒドロカルビル（hydrocarbyl）基、ウレタン(urethane)基、アミン基、有機シラン(silane)基、ヒドリドシラン(hydridosilane)基、シラン(silane)基、オキシシラン(oxysilane)基、ホスホネート(phosphonate)基、スルホネート(sulphonate)基、またはこれらの組合せが可能である。
【００６１】
リンカー化合物が使用される場合、一般に、結果として得られる１つの官能基は、ポリマーがリンカーと結合する場所で形成され、結果として得られる第２の官能基は、リンカーが無機粒子と結合する場所で形成される。無機粒子において、官能基の識別は、特定の原子が粒子と会合するか、官能基と会合するかに依存するであろう。このことは命名法の問題となり、当業者は、官能基に対する特定の原子配置について関心がなくても結果物の構造を識別できる。例えば、カルボン酸と無機粒子との結合は、粒子の非金属／半金属原子との結合に関係する基となるかもしれないが、オキソ(oxo)基は、一般に粒子組成に関係無く、結果として得られる官能基の中に存在している。結局は、結合が金属／半金属の原子まで延びることになる。
【００６２】
無機粒子と結合するための適切な官能基は、無機粒子の特性に依存する。米国特許第５４９４９４９号、Kinkel et al.、発明の名称「表面修飾された酸化物粒子およびポリマー材料でのフィラーおよび修飾剤としての使用」は、参照によってここに組み込まれ、金属／半金属の酸化物粒子と結合するためのシリル化(silylating)剤の使用を開示している。粒子は、粒子との結合のためにアルコキシ修飾シランを有する。例えば、金属／半金属の酸化物粒子と結合するための好ましいリンカーは、Ｒ１Ｒ２Ｒ３−Ｓｉ−Ｒ４（但し、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３はアルコキシ基であって、加水分解して粒子との結合が可能であり、Ｒ４はポリマーと結合するのに適切な基である。）を含む。トリクロロシリケート(trichlorosilicate)（−ＳｉＣｌ３）官能基は、金属酸化物粒子の表面において、縮合再反応によってヒドロキシル基と再反応が可能である。
【００６３】
一般に、チオール基は、金属硫化物粒子および一定の金属粒子、例えば金、銀、カドミウム、亜鉛などと結合するように使用できる。カルボキシル(carboxyl)基は、別の金属粒子、例えばアルミニウム、チタン、ジルコニウム、ランタン、アクチニウムなどと結合できる。
【００６４】
同様に、アミン基および水酸化物(hydroxide)基は、金属酸化物粒子および金属窒化物粒子さらには鉄、コバルト、パラジウム、白金などの遷移金属原子と結合すると考えられる。
【００６５】
無機粒子と結合するリンカー官能基の個性はまた、無機粒子との結合特性に起因して修飾されるかもしれない。無機粒子の１つ以上の原子は、リンカーと無機粒子との間の結合を形成する際に関係する。結果として得られる結合での原子がリンカー化合物から由来するか、無機粒子から由来するかは、不明瞭かもしれない。いずれの場合でも、結果物または生産物の官能基は、リンカー分子と無機粒子とを連結するように形成される。結果として得られる官能基は、例えば、ポリマーへのリンカーの結合に由来する上述した官能基のうちの１つとなり得る。無機粒子での官能基は、最終的に１つ以上の金属／半金属の原子と結合する。
【００６６】
（無機粒子）
一般に、いずれの妥当な無機粒子は、複合物を形成するために使用できる。好ましい実施形態において、粒子は、たった約１ミクロン程度の平均直径を有する。好ましい応用について、粒子の組成は、複合物に所望の特性を付与するように選択される。特に、高い粒子添加量を有する複合物について、無機粒子は複合物の全体的特性に大きく寄与する。例えば光学材料の形成において、ポリマーおよび無機粒子の両方の光学特性が重要になる。複合物材料の屈折率は、おおまかに無機粒子およびポリマーの屈折率の体積比に基づいたリニアな組合せになると考えられる。
【００６７】
好ましい粒子は、レーザ熱分解(pyrolysis)によって形成され、極めて均一な特性を有するサブミクロン粒子の範囲を形成するのに使用できる。小さな粒子は、小さな構造および滑らかな表面を形成する点でプロセス上の利点を提供できる。さらに、小さな粒子は、より低い散乱損失にまで減少した散乱を含む望ましい特性を有する。
【００６８】
興味ある粒子の集団(collection)は、一般に、一次粒子の平均直径が約５００ｎｍより小さいもので、好ましくは約２ｎｍから約１００ｎｍ、あるいは約２ｎｍから約７５ｎｍ、または約２ｎｍから約５０ｎｍである。当業者ならば、これらの特定の範囲内での別の範囲は、ここでの開示によって網羅されることは認識できるであろう。粒子直径は、透過型電子顕微鏡によって評価される。好ましい粒子は、元素状態／非イオンの金属／半金属、金属／半金属の酸化物、金属／半金属の窒化物、金属／半金属の硫化物、金属／半金属の炭化物、またはこれらの組合せを含む。
【００６９】
一次粒子は、おおまかに球形の全体外観を有することができ、あるいはロッド形状、板形状または他の非球形状を有することができる。より近接して考察すると、結晶性の粒子は、一般に下地となる結晶格子に対応した刻面(facet)を有する。アモルファス粒子は、一般に球形の外観を有する。非対称な粒子の直径測定は、粒子の主軸に沿って長さ測定の平均に基づく。
【００７０】
これらの小さいサイズにより、一次粒子は、近くの粒子間のファン・デル・ワールスおよび他の電磁気的な力に起因して、ゆるい凝集(agglomerates)を形成する傾向にある。これらの凝集は、後述するように、かなりの程度で分散することができる。二次粒子あるいは凝集した粒子のサイズは、これらの初期的形成と粒子の組成および構造に続く後のプロセスに依存する。好ましい実施形態において、二次粒子は、約２ｎｍから約４００ｎｍ、好ましくは約２ｎｍから約１００ｎｍ、あるいは約２ｎｍから約５０ｎｍまでの平均直径を有する。当業者であれば、これらの特定範囲内における他の範囲がここでの開示によって網羅されていることを認識するであろう。
【００７１】
粒子はゆるい凝集を形成するが、一次粒子のナノメータスケールは、粒子の透過型電子顕微鏡写真できれいに観察できる。粒子は、顕微鏡写真で観察するように、一般にナノメータスケールの粒子に対応した表面積を有する。さらに粒子は、これらの小さいサイズおよび材料重量当りの大きな表面積に起因して、独特な特性を呈示する。例えば、米国特許第５９５２１２５号、Bi et al.、発明の名称「電気活性ナノ粒子を有する電池」は参照によってここに組み込まれ、その説明にあるように、バナジウム酸化物のナノ粒子は、リチウム電池において驚くほど高いエネルギー密度を有することができる。
【００７２】
一次粒子は、好ましくは、サイズに関して高い均一性を有する。レーザ熱分解は、上述のように、一般に、極めて狭い範囲の粒子直径が得られる。さらに、適切に温和な条件下での熱プロセスは、極めて狭い範囲の粒子直径を改変しない。レーザ熱分解用に反応物のエアゾール送出を用いた場合、粒子直径の分布は、反応条件に対して特に敏感になる。それにもかかわらず反応条件が適切に制御された場合は、エアゾール送出を用いて極めて狭い範囲の粒子直径が得られる。透過型電子顕微鏡写真の検査で決定されるように、一次粒子は、一般に、一次粒子の少なくとも９５％、好ましくは９９％が、平均直径の約４０％より大きく、平均直径の約１６０％より小さい直径を有するようなサイズ分布を有する。好ましくは、一次粒子は、一次粒子の少なくとも９５％、好ましくは９９％が、平均直径の約６０％より大きく、平均直径の約１４０％より小さい直径を有するような直径分布を有する。当業者であれば、これらの特定範囲内における他の範囲がここでの開示によって網羅されていることを認識するであろう。
【００７３】
さらに、好ましい実施形態において、平均直径の約４倍、好ましくは平均直径の３倍、より好ましくは平均直径の２倍より大きな平均直径を有する一次粒子は存在しない。換言すると、粒子サイズ分布は、かなり大きいサイズを持つ少数の粒子を示すテール部を実質的に有していない。このことは、小さい反応領域および、対応する粒子の高速な急冷(quench)の結果である。サイズ分布のテール部における有効カットオフ値は、１０６当り約１個より少ない粒子が、平均直径より上の特定カットオフ値より大きい直径を有することを示す。高い粒子均一性は、種々の応用に活用される。
【００７４】
さらに、ナノ粒子は、好ましくは極めて高い純度レベルを有する。レーザ熱分解反応と、適用可能ならば結晶形成プロセスは、粒子から汚染物質を排除する傾向があることから、レーザ熱分解によって生成されたナノ粒子は、反応物より高い純度を有すると考えられる。さらに、レーザ熱分解によって生成された結晶性ナノ粒子は、高度の結晶性を有する。同様に、熱プロセスによって生成された結晶性ナノ粒子は、高度の結晶性を有する。粒子表面上の不純物は、粒子の加熱によって除去されるようになり、高い結晶性純度だけでなく、高い純度を全体に達成できる。
【００７５】
レーザ熱分解は、狭い分布の平均粒子直径を有する広範囲のナノスケール粒子を有効に生成するための優れた手法である。特に、レーザ熱分解は、例えば元素状態の金属／半金属粒子、金属／半金属の酸化物粒子、金属／半金属の炭化物粒子、金属／半金属の窒化物粒子、金属／半金属の硫化物粒子など、種々の無機粒子を生成するのに使用できる。代わりに、サブミクロン粒子は火炎製造装置を用いて生成可能であり、例えば火炎製造装置として米国特許第５４４７７０８号、Helble et al.、発明の名称「ナノスケールセラミック粒子の製造装置」などがあり、参照によってここに組み込まれる。さらに、サブミクロン粒子は熱反応チャンバを用いて生成可能であり、例えば熱反応チャンバとして米国特許第４８４２８３２号、Inoue et al.、発明の名称「金属酸化物の超微細球体粒子およびその製造方法」などがあり、参照によってここに組み込まれる。さらに、例えばゾルゲル技術など、種々の解決法がサブミクロン粒子を生成するのに使用可能である。
【００７６】
所望の無機ナノ粒子を生成するためのレーザ熱分解という成功した応用の基本的特徴は、金属／半金属の前駆体(precursor)化合物と、放射吸収体と、一般には二次反応物とを含む反応物流の発生である。二次反応物は、所望の生成物形成を促進するために、所望の生成物または酸化剤や還元剤にとって必要になる、例えば酸素などの原子源となり得る。強度の光放射の下で前駆体が所望の生成物に分解する場合は、二次反応物は必要でない。同様に、金属／半金属の前駆体及び／又は二次反応物が適切な光放射を吸収する場合は、別個の放射吸収体は必要でない。反応物流は、強度の光ビーム、一般にはレーザビームによって熱分解される。反応物流がレーザビームから離れるにつれて、粒子は急速に急冷される。
【００７７】
レーザ熱分解による商業的品質の粒子の生成に好適なレーザ熱分解装置は、レーザビーム経路と平行な方向にかなり延長した反応物入口を用いて開発されている。この高い能力のレーザ熱分解装置は、米国特許第５９５８３４８号、発明の名称「化学反応による粒子の効率的生成」に記載されており、これは参照によってここに組み込まれる。レーザ熱分解による商業的な粒子生成のためのエアゾール前駆体の送出の手法は、係属中で一緒に譲渡された米国特許出願シリアル番号０９／１８８，６７０号、Garder et al.、発明の名称「反応物送出装置」に記載されており、これは参照によってここに組み込まれる。
【００７８】
レーザ熱分解によって生成されたナノ粒子は、粒子の性質、例えば組成及び／又は結晶性などを改変する追加プロセスに曝すことができる。例えば、ナノ粒子は、使用前に、あるガス雰囲気中で熱プロセスに曝すことができる。適切に温和な条件下で、熱プロセスは、ナノスケールサイズや初期粒子の狭い粒子サイズ分布を破壊せずに粒子の特性を修正するのに有効である。例えば、サブミクロンのバナジウム酸化物粒子の熱プロセスは、米国特許第５９８９５１４号、Bi et al.、発明の名称「バナジウム酸化物粒子の熱プロセス」に記載されており、これは参照によってここに組み込まれる。
【００７９】
幾つかの異なるタイプのサブミクロンまたはナノスケールの粒子は、追加の熱プロセスを用いてまたは用いないで、レーザ熱分解によって生成される。これらの粒子は、上述したように、一般には極めて狭い粒子サイズ分布を有する。
【００８０】
特に、バナジウム酸化物のナノ粒子は、米国特許第６１０６７９８号、Bi et al.、発明の名称「バナジウム酸化物のナノ粒子」に記載されており、これは参照によってここに組み込まれる。同様に、銀バナジウム酸化物のナノ粒子は、係属中で一緒に譲渡された米国特許出願シリアル番号０９／２４６０７６号、Horne et al.、特許第              号、およびシリアル番号０９／３１１５０６号、Reitz et al.、両方の発明の名称「金属バナジウム酸化物粒子」に記載されており、これらは参照によってここに組み込まれる。
【００８１】
ナノスケールのマンガン酸化物粒子もまた、レーザ熱分解によって生成される。これらの粒子の生成は、係属中で一緒に譲渡された米国特許出願シリアル番号０９／１８８，７７０号、Kumar et al.、発明の名称「金属酸化物粒子」に記載されており、これは参照によってここに組み込まれる。この出願は、ＭｎＯ，Ｍｎ２Ｏ３，Ｍｎ３Ｏ４，Ｍｎ５Ｏ８の生成を記載している。
【００８２】
さらに、リチウムマンガン酸化物のナノ粒子は、後段の熱プロセスを用いてあるいは用いないで、レーザ熱分解によって生成される。これは、係属中で一緒に譲渡された米国特許出願シリアル番号０９／１８８，７６８号、Kumar et al.、発明の名称「複合金属酸化物粒子」、シリアル番号０９／３３４２０３号、Kumar et al.、発明の名称「三元粒子を生成するための反応方法」、米国特許第６１３６２８７号、Horne et al.、発明の名称「リチウムマンガン酸化物および電池」に記載されており、これらは参照によってここに組み込まれる。
【００８３】
シリコン酸化物のナノ粒子の生成は、係属中で一緒に譲渡された米国特許出願シリアル番号０９／０８５５１４号、Kumar et al.、発明の名称「シリコン酸化物粒子」に記載されており、これは参照によってここに組み込まれる。この出願は、アモルファスＳｉＯ２の生成を記載している。シリコン炭化物およびシリコン窒化物のレーザ熱分解による合成は、係属中で一緒に譲渡された米国特許出願シリアル番号０９／４３３２０２号、Reitz et al.、１９９９年１１月５日出願、発明の名称「粒子分散」に記載されており、これは参照によってここに組み込まれる。
【００８４】
チタン酸化物のナノ粒子の生成は、係属中で一緒に譲渡された米国特許出願シリアル番号０９／１２３２５５号、Bi et al.、発明の名称「金属（シリコン）酸化物／カーボン複合物」に記載されており、これは参照によってここに組み込まれる。特に、この出願は、アナターゼ(anatase)およびルチル(rutile)のＴｉＯ２の生成を記載している。アルミニウム酸化物のナノ粒子の生成は、係属中で一緒に譲渡された米国特許出願シリアル番号０９／１３６４８３号、Kumar et al.、発明の名称「アルミニウム酸化物粒子」に記載されており、これは参照によってここに組み込まれる。特に、この出願は、γ−Ａｌ２Ｏ３の生成を記載している。充分な蒸気圧のガス状送出を伴う適切な液体のアルミニウム前駆体は、例えば、アルミニウムｓ−ブトキシド(butoxide)（Ａｌ（ＯＣ４Ｈ９）３）を含む。多くの好適な固体のアルミニウム前駆体化合物は利用可能であり、例えば、塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ３）、アルミニウムエトキシド(ethoxide)（Ａｌ（ＯＣ２Ｈ５）３）、アルミニウムイソプロポキシド(isopropoxide)（Ａｌ［ＯＣＨ（ＣＨ３）２］３）を含む。
【００８５】
さらに、スズ(tin)酸化物のナノ粒子は、レーザ熱分解によって生成される。これは、係属中で一緒に譲渡された米国特許出願シリアル番号０９／０４２２２７号、Kumar et al.、発明の名称「スズ酸化物粒子」に記載されており、これは参照によってここに組み込まれる。亜鉛(zinc)酸化物のナノ粒子の生成は、係属中で一緒に譲渡された米国特許出願シリアル番号０９／２６６２０２号、Reitz.、発明の名称「亜鉛酸化物粒子」に記載されており、これは参照によってここに組み込まれる。特に、ＺｎＯのナノ粒子の生成が記載されている。
【００８６】
鉄(iron)および鉄炭化物の生成は、Bi et alによる刊行物、名称「ＣＯ２レーザ熱分解にって生成されたナノ結晶α−Ｆｅ，Ｆｅ３Ｃ，Ｆｅ７Ｃ３」、J. Master. Res. Vol. 8, No. 7 1666-1674(July 1993)に記載されており、これは参照によってここに組み込まれる。鉄酸化物のナノ粒子の生成は、米国特許第６０８０３３７号、Kambe et al.、発明の名称「鉄酸化物粒子」に記載されており、これは参照によってここに組み込まれる。銀金属のナノ粒子の生成は、係属中で一緒に譲渡された米国特許出願シリアル番号０９／３１１５０６号、Reitz et al.、発明の名称「金属バナジウム酸化物粒子」に記載されており、これは参照によってここに組み込まれる。
【００８７】
レーザ熱分解による鉄硫化物（Ｆｅ１−ｘＳ）のナノ粒子の生成は、Bi et al., Material Research Society Symposium Proceedings, Vol. 286, p.161-166(1993)に記載されており、これは参照によってここに組み込まれる。鉄硫化物のレーザ熱分解生成のための前駆体は、鉄ペンタカルボニル（Ｆｅ（ＣＯ）５）と硫化水素（Ｈ２Ｓ）である。
【００８８】
セリウム(cerium)酸化物もまた、レーザ熱分解によって生成可能である。エアゾール送出のための好適な前駆体は、例えば、セリウムナイトレート（Ｃｅ（ＮＯ３）３）、塩化セリウム（ＣｅＣｌ３）、セリウムオクサレート（Ｃｅ（Ｃ２Ｏ４）３）を含む。同様に、ジルコニウム酸化物は、レーザ熱分解によって生成可能である。エアゾール送出のための好適なジルコニウム前駆体は、例えば、ジルコニルクロリド（ＺｒＯＣｌ２）、ジルコニルナイトレート（ＺｒＯ（ＮＯ３）２）を含む。
【００８９】
アルミニウムシリケート(silicate)およびアルミニウムチタネート(titanate)の三元ナノ粒子の生成は、レーザ熱分解によって実施可能であり、これは、係属中で一緒に譲渡された米国特許出願シリアル番号０９／３１１５０６号、Reitz et al.、発明の名称「金属バナジウム酸化物粒子」（これは参照によってここに組み込まれる。）に記載された銀バナジウム酸化物のナノ粒子の生成と類似する手順に続いて行われる。アルミニウムシリケートの生成のための好適な前駆体は、気相供給用には、塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ３）およびシリコンテトラクロリド（ＳｉＣｌ４）の混合を含み、エアゾール送出用には、テトラ（Ｎ−ブトキシ）シランおよびアルミニウムイソプロポキシド(isopropoxide)（Ａｌ［ＯＣＨ（ＣＨ３）２］３）の混合を含む。同様に、アルミニウムチタネートの生成のための好適な前駆体は、エアゾール送出用には、、アルミニウムナイトレート（Ａｌ（ＮＯ３）３）および硫酸に溶解した二酸化チタン（ＴｉＯ２）パウダーの混合、あるいはアルミニウムイソプロポキシドおよびチタンイソプロポキシド（Ｔｉ［ＯＣＨ（ＣＨ３）２］４）の混合を含む。
【００９０】
（粒子分散）
複合物を形成するためは、一般に、無機粒子が液体中に分散され、ポリマー／モノマー成分とリンカーとが組み合される。粒子分散の形成は、一般に、プロセスの独特な工程である。好ましくは、ナノ粒子の集まりは、ポリマー複合物中への均一な導入のために充分に分散される。液相の粒子分散は、所望の複合物構造の形成に使用可能な小さい二次粒子の供給源を提供する。
【００９１】
所望の品質を持つ無機粒子の液体分散は、一般に、粒子の濃度、分散の組成および分散の形成に依存する。具体的には、分散度は、本質的に、粒子間の相互作用、粒子と液体との相互作用および粒子の表面化学作用に依存する。エントロピーおよびエネルギーの考察も関与することになろう。分散度および分散安定性は、著しく凝集した粒子から大きな影響を受けずに、均一な複合物の製造にとって重要な特徴となる。
【００９２】
一般に、液体分散は、約８０重量以下の粒子濃度を持つ分散に言及する。粒子分散の形成のため、特別な粒子濃度は、選択した応用に依存する。約５０重量より大きい濃度では、より希釈した粒子分散を特徴付けるパラメータと比べて、結果として得られる粘性の混合物の形成および特徴に関連して別の要因が重要になる。粒子の濃度は、粘性に影響を及ぼし、分散プロセスの効率に影響する。特に、高い粒子濃度は、粘性を増加させ、剪断(shear)の適用によって粒子分散を支援可能であるが、粒子を分散させて小さい二次粒子サイズを達成するのを困難にする。
【００９３】
分散の組成は、分散剤の組成およびナノ粒子に依存する。適切な分散剤は、例えば、水、アルコールや炭化水素などの有機溶媒、およびこれらの組合せを含む。好ましい溶媒の選択は、一般に、ナノ粒子の特性に依存する。こうして分散剤およびナノ粒子は、充分に分散した粒子の形成にとって親和性があるように選択すべきである。例えば、ガンマアルミナ粒子は、一般に約３〜４の酸性ｐＨでよく分散し、シリカ粒子は、一般に９〜１１の塩基性ｐＨでよく分散し、チタン酸化物粒子は、一般に７近傍のｐＨでよく分散し、好ましいｐＨは、結晶構造および表面構造に依存する。一般に、表面電荷がほとんど無いナノ粒子は、より小さい極性の溶媒に選択的に分散できる。そして、疎水性の粒子は、非水性の溶媒または、より小さい極性の共溶媒(cosolvent)を持つ水性の溶媒に分散可能であり、親水性の粒子は水性の溶媒に分散可能である。
【００９４】
多くのポリマーは有機溶媒に溶解可能であるため、多くの実施形態は非水性分散の形成に関係する。有機溶媒において、分散特性は、溶媒の誘電定数に依存することを見出した。ＴｉＯ２に関して、良好な分散は、溶媒の誘電定数／極性の中間値でもって形成される。このことは下記例においてさらに説明されている。
【００９５】
さらに、水ベースの分散は、例えば表面活性剤、緩衝剤、塩など、追加の組成を含むことができる。特定の粒子に関して、分散の特性は、ｐＨ及び／又はイオン強度を変化させることによって調整可能である。イオン強度は、例えば塩化ナトリウム、塩化カリウムなどの不活性塩の添加によって変化可能である。リンカーの存在は、分散の特性および安定性に影響を与えることがある。ＴｉＯ２に関して、このことは下記例において説明されている。
【００９６】
ｐＨは、一般に、分散粒子の表面電荷に影響を与える。最小の表面電荷は、等電(isoelectric)点のＰＨ値で得られる。表面電荷の減少は、更なる凝集という結果をもたらす。こうして後段のプロセス工程に基づいて所望の量の表面電荷を産み出すように、ｐＨを選択するのが有用であろう。しかしながら、溶媒のｐＨは、リンカーとの結合に影響を与えることがある。
【００９７】
液体は、溶解タイプの相互作用形態での物理的／化学的な力を、粒子分散を支援する粒子に対して適用することがある。溶解タイプの相互作用は、本来、エネルギー的及び／又はエントロピー的なものである。表面活性剤などの追加の組成は、粒子分散を支援するために液体に添加できる。適切な表面活性剤は、例えば、オクトキシノール(octoxynol)（Ｔｒｉｔｏｎ（登録商標）Ｘとして販売）、ノンキシノール(nonxynol)（Ｄｏｘｆａｘ（登録商標）９ＮおよびＴｒｉｔｏｎ（登録商標）Ｎとして販売）、ドデシルトリメチルアンモニウムブロミド(dodecyltrimethyl ammonium bromide)（Ｃ１２  ＴＡＢ，ＣＨ３（ＣＨ２）１１Ｎ（ＣＨ３）３Ｂｒ）を含む。
【００９８】
分散の品質は、一般に、分散形成のためのプロセスに依存する。分散において、分散中の分散剤および他の化合物によって印加される化学的／物理的な力の他にも、機械的な力が一次粒子を分離するのに使用可能である。一次粒子は、隣接する粒子間でのファン・デル・ワールス力および他の短範囲の電磁気的な力によって一緒にかたまっている。特に、分散に印加される機械的な力の強さおよび寿命は、分散の特性にかなり影響を及ぼす。溶媒中での分散の前に、機械的な力がパウダーに印加することができる。代わりに、例えば剪断応力などの機械的な力は、混合、撹拌、ジェット流衝突及び／又は超音波分解(sonication)として印加可能であり、これは単一パウダーや複数パウダーと単一液体や複数液体との組合せに続いて行われる。
【００９９】
二次粒子サイズは、結果として得られる粒子凝集のサイズに関連しており、これは液体中でのパウダー分散に続いて起こる。一次粒子間の凝集力についてより多くの崩壊が生じた場合、より小さい二次粒子サイズが得られる。一次粒子サイズに等しい二次粒子サイズは、粒子間の力が充分に崩壊可能であれば、少なくとも幾つかのナノ粒子と共に達成できる。表面活性剤の使用および高い剪断応力は、より小さい二次粒子サイズを得るのを支援できる。
【０１００】
液体分散中での二次粒子サイズは、ダイナミック光散乱などの確立した手法によって測定可能である。適切な粒子サイズアナライザは、例えば、ダイナミック光散乱に基づいたＭｉｃｒｏｔｒａｃ  ＵＰＡ測定器（Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ社）、フォトン相関分光に基づいたＺｅｔｅＳｉｚｅｒシリーズの測定器（Ｍａｌｖｅｒｎ社）を含む。液体中の粒子サイズ測定のためのダイナミック光散乱の原理は、充分に確立している。
【０１０１】
小さい二次粒子サイズの存在は、均一な特性を持つ複合物形成のための分散の応用に著しい利点をもたらし得る。例えば、より小さい二次粒子サイズ、および一般には小さい一次粒子サイズは、複合物を用いた、より滑らかな及び／又はより小さくより均一な構造の形成を支援できる。コーティングの形成において、より薄くより滑らかなコーティングは、より小さい二次粒子を有する無機粒子分散で形成された複合物を用いて形成することができる。好ましい実施形態において、平均二次粒子直径は、約１０００ｎｍより小さく、好ましくは約５００ｎｍより小さく、より好ましくは約２ｎｍから約３００ｎｍの範囲であり、さらに好ましくは約２ｎｍから約２００ｎｍの範囲であり、さらに好ましくは約２ｎｍから約１００ｎｍの範囲である。一次粒子サイズは、特定の粒子集合に関して、当然ながら二次粒子サイズの下限であり、平均二次粒子サイズはほぼ平均一次粒子サイズであることが好ましい。幾つかの粒子分散については、粒子が充分に分散するように、二次粒子サイズはほぼ一次粒子サイズとなり得る。
【０１０２】
いったん分散が形成されると、分散は最終的に分離し、連続した機械的なかき回しや撹拌が無くなれば、粒子は容器の底に集合するようになる。安定した分散は、分散から分離しない粒子を有する。別の分散は、異なる安定性の程度を有する。分散安定性は、粒子の特性、分散中の他の組成、分散形成に使用したプロセス、安定剤の存在、に依存する。適切な安定剤は、例えば表面活性剤などを含む。好ましくは、分散は適度に安定して、複合物を形成するための後段プロセス工程の間に著しい分離が無ければ、分散は使用可能であり、複合物を形成するための適切なプロセスは、定常的な混合などを確保し、粒子分散の分離を防止するように使用できる。
【０１０３】
（複合物の形成）
リンカー化合物およびポリマー／モノマー成分は、粒子分散を伴う液体に対して同時にまたは逐次的に添加できる。種々の構成成分を組合せる順序は、所望の結果物が得られるように選択できる。液体内の状態は、リンカーとの結合形成およびポリマー／モノマー成分に関係して生じ得る他の結合形成にとって好適であることが好ましい。いったん複合物が形成されると、複合物からなる構造を残留させるように、液体は除去または凝固することができる。
【０１０４】
ポリマー／モノマー成分は、無機粒子分散を添加する前に、溶液／分散として形成可能であり、あるいはポリマー／モノマーは、粒子分散への固体物として添加可能である。好ましい実施形態では、ポリマー／モノマー成分は、粒子分散を形成するのに用いた液体中に溶解可能である。ポリマー／モノマーが粒子分散中に溶解可能／分散可能でない場合、ポリマー／モノマー溶液または粒子分散は、反応を行うように混合しながら、他方に対してゆっくり添加する。無機粒子分散とは別個に、ポリマー／モノマーを最初に可溶化するか否かは、ポリマー／モノマー可溶化処理の反応速度論、および種々の溶液／分散についての所望の濃度に依存するであろう。同様に、結合の反応速度論は、混合手順の順序および詳細に影響を及ぼし得る。
【０１０５】
リンカーは、一般に、粒子分散、ポリマー／モノマー溶液、または無機粒子とポリマー／モノマーとの混合物に対して添加できる。自己重合性のリンカーについては、リンカーを粒子分散に添加することが好ましく、リンカーは、自己縮合よりもむしろ粒子表面へより結合するようになる。例えば、アルコキシシラン(alkoxysilane)は、自己重合するような形態に加水分解する。リンカーを添加する順序および量は、結果として得られる複合物構造の詳細に影響を及ぼし得る。特に、リンカーは、無機粒子と反応する際に、無機粒子とより均一な結合が得られるように、充分に分散することが好ましい。
【０１０６】
幾つかの実施形態において、反応条件及び／又は触媒の存在などは、無機粒子及び／又ポリマー／モノマーとのリンカーの反応を開始するのに必要になる。これらの実施形態では、触媒添加の反応条件の調整前に、成分は混合可能である。こうして充分に混合された溶液／分散は、反応条件の調整または触媒添加に先行して形成可能であり、より均一な複合物を形成することができる。
【０１０７】
（プロセスおよび自己集合(self-assembly)）
ポリマー／無機粒子の複合物形成に続いて、複合物は更なるプロセスにさらすことができる。ここで簡便さのため、複合物は、溶液、分散、コーティングまたは固体の形態のいずれかにおける結合した無機粒子−リンカー−ポリマー／モノマー構造とする。例えば、複合物を含有する溶液／分散の、例えば濃度や溶媒組成などの特性は、複合物の保存及び／又は利便性のための更なるプロセスを促進するように変更できる。好ましい実施形態において、複合物は、後述するように、続いて特定の構造または複合物の特性を利用するデバイスの中に組み込まれる。局所化したデバイスへの形成を容易にするため、ポリマーは、局所化した構造への複合物の自己集合を支援する自己組織化(self-organization)特性用に選択できる。自己集合した構造は、複合物内でのポリマーの一方または他方の相に対して隔離した粒子を有する自己集合により形成可能であり、そこでは異なるポリマー相が自己組織化によって識別可能である。
【０１０８】
複合物が形成される溶液／分散は、更なるプロセスにおいて直接に使用可能である。代わりに複合物は、液体から除去したり、異なる液体に置くことができる。溶液／分散の液体は、希釈、即ち溶液／分散への別の液体の添加によって、あるいは成分が透析(dialysis)チューブによって持続するのに充分な分子量を有する場合には透析によって、あるいは液体を除去し、置換液体を用いて複合物を可溶化／分散化することによって、変えることができる。種々の細孔サイズを有する透析チューブは商業的に入手可能である。液体を置換するには、液体混合物が形成可能であり、続いて元の液体が蒸発によって除去される。これは、液体が共沸混合物(azeotrope)を形成する場合、格別に有効となり得る。ポリマー／無機粒子の複合物は、液体の蒸発によって、あるいはフィルタや遠心分離による複合体分散の分離によって、あるいは溶液／分散について、例えばｐＨ、液体の組成やイオン強度などの特性を変化させて、液体から複合体の沈澱(settling)を誘導すことによって、液体から除去可能である。
【０１０９】
一般に、複合物は、熱プロセスおよび溶媒プロセス手法を含むような標準のポリマー処理技術を用いて処理可能である。例えば、ポリマー／無機粒子の複合物は、圧縮成型、注入成型、押出し、カレンダー処理によって、いろいろな構造に形成できる。換言すると、複合物は、例えばシートなど、自由な構造に形成可能である。同様に、複合物は、複合物の柔軟な形態の押出しや延伸などの技術を用いて、ファイバに、またはファイバ上の層に形成できる。溶液／分散は、スピンコートや類似の方法によって、フィルム／コーティングに形成できる。コーティングは、種々のパラメータで形成可能であり、例えば、約１ミクロン未満の厚さを持つ薄いコーティングに形成できる。
【０１１０】
幾つかの実施形態において、複合物は、自己集合によって、局所化した構造に形成可能である。複合物の組成及び／又は構造は、複合物自体の自己組織化を促進するように選択可能である。例えば、ブロックコポリマーは、ポリマーの異なるブロックが分離するように使用可能であり、これは多くのブロックコポリマーの標準的特性である。好適なブロックコポリマーは、例えば、ポリスチレン(polystyrene)−ブロック−ポリ（メチルメタクリレート(methyl methacrylate)）、ポリスチレン−ブロック−ポリアクリルアミド(polyacrylamide)、ポリシロキサン(polysiloxane)−ブロック−ポリアクリレート、およびこれらの混合を含む。これらのブロックコポリマーは、リンカーと結合する適当な官能基を含むように修飾可能である。例えば、ポリアクリレートは、カルボン酸基を形成するように加水分解または部分的な加水分解が可能であり、あるいはアクリル酸部分は、酸基が重合を妨害しない場合、ポリマー形成の間にアクリレート化された全てまたは一部の代わりに置換可能である。代わりに、アクリレート内のエステル基は、官能基の１つがリンカーとの結合のために残るようにして、ジオール(diol)へのエステル結合またはジアミンとのアミド結合と置換可能である。別の数のブロックおよび別のタイプのポリマー組成とのブロックコポリマーが使用可能である。
【０１１１】
無機粒子は、無機粒子が分離ブロックコポリマー内のポリマー組成と共に分離されるようにして、ブロック内のポリマー組成の１つだけと会合可能である。例えば、ＡＢジ−ブロックコポリマーは、ブロックＡ内だけの無機粒子を含むことができる。無機粒子の分離は、無機粒子の特性を利用する点で機能的な利点を有することができる。同様に、無機粒子および対応するポリマーが異なる溶媒和(solvation)特性を有する場合、つながった無機粒子は、ブロックコポリマーの異なるブロックへの類推によって、ポリマーに対して分離可能である。さらに、ナノ粒子自体がポリマーに対して分離可能であり、自己組織化構造を形成することができる。
【０１１２】
別の定序性(ordered)コポリマーは、例えば、グラフト(graft)コポリマー、コム(comb)コポリマー、スター−ブロックコポリマー、デンドリマー(dendrimers)、これらの混合などを含む。全てのタイプの定序性コポリマーは、ポリマー成分が相互に化学的に結合しているポリマー混合(blend)と考えられる。物理的なポリマー混合もまた使用可能であり、下記の例で説明するように自己組織化を示すことがある。ポリマー混合は、化学的に別個なポリマーの混合に関係する。無機粒子は、ブロックコポリマーについて上述したように、ポリマー種の一部(subset)にだけ結合してもよい。物理的なポリマー混合は、ブロックコポリマーと類似した自己組織化を示すことがある。無機粒子とのポリマーの相互作用が元来のポリマー単独とは異なる別のポリマー種と物理的に相互作用するようにして、無機粒子の存在は複合物の特性を充分に変更することができる。
【０１１３】
自己組織化のメカニズムにかかわらず、幾つかの自己組織化された複合物は、超格子構造(superstructure)または超格子結晶構造の周期性で配列したナノ粒子に関係する。粒子はそれ自体、結晶性であってもなくてもよく、粒子の規則正しい構造に起因する特性を示すことになる。フォトニック結晶は、後述するように、これらの結晶超格子構造を利用している。
【０１１４】
複合物の自己組織化能力は、基板表面上での自己集合化構造の形成に好都合に使用可能である。複合物を表面に結合させるには、ポリマーは、単純に表面上にコート可能であり、あるいは複合物は、表面との化学的結合を形成可能である。例えば、ポリマーは、１つまたはそれ以上の構造及び／又は表面上での１つまたはそれ以上の材料と結合する追加の官能基を含むことができる。これらの追加の官能基は、自己集合プロセスを支援するように選択された官能側鎖基となり得る。
【０１１５】
代わりに、基板表面は、いろいろな組成、表面リンカーを有することができ、これはポリマー及び／又は無機粒子と結合して、複合物がポリマーまたは無機粒子を介して表面に結合するようになる。例えば、基板は、１つまたはそれ以上の官能基、例えばＢｒ，ＣＮ，ＳＣＯＣＨ３，ＳＣＮ，ＣＯＯＭｅ，ＯＨ，ＣＯＯＨ，ＳＯ３，ＣＯＯＣＦ３などのハロゲンや、ビニル，アミン，チオール，ホスホネート，およびこれらの組合せなどのオレフィン部位など、を持つ有機組成を含むことができる。代わりに、表面リンカーは、ポリマー内での未反応の官能基と反応する官能基を有することができる。表面リンカーでポリマーと結合するのに適切な官能基は、ポリマーと結合する複合物リンカーでの官能基と同等である。
【０１１６】
ナノ粒子との自己集合に関係する幾つかの実施形態において、基板表面の一部には細孔(pores)が設けられ、これは孔(hole)、凹部(depression)、空洞(cavities)などが可能である。細孔は、規則正しいアレイやランダム配列が可能である。細孔のサイズは、ナノ粒子のサイズより大きくなければならない。一般に、細孔はミクロンより小さい直径を有するが、好ましい細孔サイズおよび細孔密度は、結果として得られるデバイスについての特定の所望の特性に依存することになる。
【０１１７】
細孔の中に複合物を沈澱させるために、表面は複合物の分散と接触している。そして例えば、分散が複合物に関して不安定になると、複合物は表面上および細孔の中に定着するようになる。分散は、等電点に対してｐＨを調整したり、表面活性剤を希釈したり、より不安定な分散が得られる共溶媒(cosolvent)を添加する等、ｐＨを変えることによって不安定化することができる。所望の量の複合物の沈澱の後、分散は除去される。そして、細孔中にない表面上の複合物は、除去可能である。例えば、表面は、分散剤を用いて優しくリンスして、表面上の複合物を除去できる。代わりに、表面は、機械研磨や化学機械研磨などの研磨によって平坦化できる。複合物を分散するのに効率的過ぎないように分散剤が適切に選択された場合、およびリンスが多大に行われ過ぎない場合、表面に沿った複合物は選択的に除去されるとともに、複合物は細孔の中に残留するようになる。
【０１１８】
多孔性構造は、陽極酸化されたアルミニウム酸化物や他の金属酸化物を用いて形成できる。陽極酸化されたアルミニウム酸化物は、高度に配向した極めて均一な細孔を形成する。アルミニウム陽極を、硫酸、リン酸、シュウ酸などの希釈酸の中に配置することによって、細孔は、陽極側のアルミニウム酸化物に形成される。アルミニウムが酸化されるにつれて、細孔を有するアルミニウム酸化物が形成される。細孔の直径は、少なくとも４ｎｍと２００ｎｍの間で変化できる。細孔は、ミクロンスケールの深さを有する。多孔性の陽極酸化されたアルミニウム酸化物の形成は、例えば、D. Al-Mawlawi et al., "Nano-wires formed in anodic oxide nanotemplates," J. Materials Research, 9:1014-1018(1994)およびD. Al-Mawlawi et al., "Electrochemical fabrication of metal and semiconductor nano-wire arrays," in Proc. Symp. Nanostructured Mater. Electrochem., 187th Meeting Electrochem. Soc., Reno, NV, May 21-26, 1995, Electrochem. Soc. 95(8):262-273(1995)に記述されている。シリカからなる規則正しい細孔アレイを形成するためのブロックコポリマーの使用およびフォトニック結晶を形成するために細孔を充填することは、米国特許第６１３９６２６号、Norris et al.、発明の名称「３次元的パターン化された材料およびナノ粒子を用いたその製造方法」に記載されており、これは参照によってここに組み込まれる。
【０１１９】
複数のデバイスを表面に形成することは、特定のデバイスと関連する所定の境界内で、デバイスで活性化する組成の局所化を必要とする。自己集合によって所定の境界内で構造を局所化するには、全体の手順は、一般に、構造の境界を規定するプロセスおよび化学的親和力を用いた別個の自己集合プロセスを必要とし、これにより境界内でデバイス組成を関連付ける。境界規定プロセスは、一般に、外力を利用して、構造の範囲を規定する。自己集合プロセス自体は、一般に、構造の境界を規定しない。自己集合は、組成／材料の本来の感知機能に基づくものであり、組成／材料が会合する際に、結果として得られる構造内で自然な秩序付けをもたらす。一般に、局所化の工程は自己集合プロセスの前または後で実行可能であるが、自然のプロセス工程は特定の規則性(order)を決定する。最終的な効果は、境界内において対応したポリマー／無機粒子複合物の被覆度を伴った自己集合化した構造をもたらし、境界の外側領域は被覆度を喪失する。
【０１２０】
別個の境界規定プロセスは、自己集合プロセスを境界内で活性化したり、境界の外側領域を不活性化することによって、自己集合プロセスと連結する。一般に、活性化または不活性化のプロセスを実施するように、外力が印加される。例えばマスクなどを使用したり、あるいは電子ビーム、イオンビーム、光ビームなどの集束した放射を用いたマスク無しのリソグラフィを使用することによって、局所化は実施可能である。
【０１２１】
適切な活性化または不活性化の技術の特定は、使用する特定の自己集合化の手法に依存する。局所化の手法は、一般に、自己集合した構造の配置のための領域の活性化したり、あるいは選択した場所とは別個の場所を不活性化することに関係する。特に、局所化の手法は、自己集合した構造の形成のための領域を隔離する。適切な物理的な力または化学的な材料が、活性化／不活性化を実施するために適用される。
【０１２２】
種々の手法がこれらの目的のために採用可能であり、例えば従来の集積電子回路プロセスの手法を含む。具体的には、マスク技術が、活性化／不活性化プロセスの境界を隔離するのに使用可能である。放射または化学的な適用が、マスクによって規定される領域において実施可能である。同様に、集束ビームが、局所化を実施するために使用可能である。表面修飾を達成するのに適切な集束ビームは、例えば、紫外光などの光ビーム、Ｘ線、レーザビーム、電子ビーム、イオンビームなどを含み、これらは選択した領域に衝突して、活性化または不活性化を実施することができる。適切な集束手法は従来技術で知られている。
【０１２３】
活性化プロセスは、所望の場所における特定の材料の形成、あるいは所望の場所における自己集合を抑制する材料または組成の除去に関係する。具体的には、特定の材料は、自己集合プロセスが境界内で生じ得る境界内で形成可能であり、一方、境界外の表面材料は自己集合プロセスを生じさせない。例えば、化学反応性の層は、ポリマーと結合する境界内で形成可能であり、一方、境界外の基板表面は、ポリマーと結合しない異なる化学的機能性を有する。同様に、抑制化合物の層は、境界内領域から除去して、自己集合プロセスで必要になる化合物と結合する表面材料、例えば表面リンカー、を露出させることができる。抑制化合物は、フォトレジスト化合物であることが可能であり、ある場合では、表面を物理的に阻止して、自己集合プロセスの前または後で選択的に除去可能である。フォトレジストまたは他の抑制化合物の組成は、自己集合プロセスを抑制するように選択され、境界領域を囲むように抑制化合物によって被覆された領域は、続く自己集合プロセスに関与しなくなる。
【０１２４】
同様に、境界領域の外側領域は、不活性化できる。例えば、自己集合プロセスに関与する化合物と結合する組成は、表面全体に渡って付着させることができる。そして、その化合物は、自己集合プロセスのために選択された境界領域の外側から除去し得る。そして、自己集合プロセスは境界領域内だけで起こる。さらに、抑制材料は、自己集合プロセスが抑制材料が除去された境界領域内だけで起こるように、境界領域の外側に明確に配置できる。同様に、境界領域の外側にある化合物を不活性化したり、解離させるために、放射が使用可能である。上述したマスク及び／又は集束ビームの手法は、不活性化プロセスを実施するために使用可能である。上記のように、３次元の集積化構造を作成するためには、階層(strata)または複数の層が処理可能である。
【０１２５】
自己集合と共に使用される局所化プロセスは、係属中で一緒に譲渡された米国特許出願シリアル番号０９／５５８２６６号、Kambe et al.、発明の名称「自己集合化構造」に記載されており、これは参照によってここに組み込まれる。
【０１２６】
（複合物の使用）
ポリマー／無機粒子の複合物材料は、極めて広範囲の材料を組み込んだデバイスの効率的な形成にとって好適である。複合物は、好ましくは、上述した１つまたはそれ以上の種々の極めて均一なナノ粒子を組み込むことができる。特定複合物を特定デバイスへ選択的に組み込むことは、複合物の選択によって、デバイスのための所望の機能を確立できる。
【０１２７】
好ましい実施形態において、構造は、完全な集積品を形成するために集積化された２次元または３次元の特質を持つ顕微鏡的な構成を形成する。用語「ナノスコピック」は、個々の自己集合デバイスの内部での構造を言及するのに用いられる。結果として得られる３次元構造は、超格子(superlattice)または超格子構造(superstructure)を形成する。複合物を用いて形成したファイバも、例えば、光ファイバとして、あるいは電気または光−電子デバイスとして使用可能である。
【０１２８】
ポリマー／無機粒子の複合物を組み込んだ基板に沿って配置された構造の例が、図１０に示される。図１０を参照して、基板２００は、複合物材料を有する構造あるいはアイランド２０２，２０４，２０６，２０８，２１０，２１０を含む。集積化した自己集合構造は、係属中で一緒に譲渡された米国特許出願シリアル番号０９／５５８２６６号、Kambe et al.、発明の名称「自己集合化構造」に記載されており、これは参照によってここに組み込まれる。構造２０２，２０４，２０６，２０８，２１０，２１０での複合物の各々は、同じ組成あるいは、別の構造として異なるポリマー組成及び／又は無機粒子を含むことができる。好ましいナノスケール粒子は、例えばレーザ熱分解によって形成された上述のナノ粒子などの一次粒子について狭い粒子サイズ分布を有する。同様に、好ましいナノスケール粒子は、小さい平均二次粒子サイズを有し、一般には、好ましい粒子分散の使用によって得られる。
【０１２９】
ナノ粒子や他の自己集合した組成を組み込んだ適切なデバイスは、例えば、電池などのエネルギー源、フォトニック結晶、電界放射デバイスなどの能動的な電気または電子−光素子、電気相互接続(interconnects)、障壁層、絶縁層などの受動的な素子などを含む。電極は、電気伝導性の粒子とともに、自己集合した電気活性粒子を用いて形成可能である。同様に、電極は、電気伝導性のポリマーおよび複合物を形成するのに適切な無機粒子を用いて形成可能である。
【０１３０】
フォトニック結晶は、複合物組成の規則正しく整列したアレイであり、約４分の１から約１の光波長の範囲にあるフォトニック結晶のセルサイズ単位を有する。材料の屈折率は、光の波長に依存する。例えば、空気中の可視光は、約３８０ｎｍから約７８０ｎｍの波長を有する。一般に、関心あるフォトニック結晶は、約１００ｎｍから約１０００ｎｍのサイズを有する。粒子は、屈折率の領域を交互に変化させた結晶の超格子構造を形成する。フォトニック結晶は、例えば金属、シリカ、シリコン窒化物、シリコン酸窒化物(oxynitride)、チタニア(titania)、亜鉛酸化物などのナノ粒子の規則正しいアレイで形成可能である。規則正しいアレイのサイズに起因して、フォトニック結晶は、いずれの方向での光伝搬を防止するフォトンバンドギャップを有することができる。こうしてフォトニック結晶は、自然放射の制御および極めて鋭い光の屈曲のために使用可能である。自己集合は、上述したように、規則正しいアレイを形成するのに使用可能である。
【０１３１】
電気相互接続は、例えば、銀および金のナノ粒子などの金属ナノ粒子など、電気伝導性の粒子で構成可能である。同様に、光相互接続は、デバイス間の光伝送を提供する。集積した光相互接続は、適切な屈折率を持つ材料で形成可能である。可視光を伝送するには、例えばシリカ、アルミナ、亜鉛酸化物などが使用可能である。障壁層は、例えば、より高い屈折率材料で覆われたシリコン酸化物粒子などで形成可能である。絶縁層は、例えば二酸化シリコンのナノ粒子で形成可能である。ディスプレイ用の電界放射デバイスは、亜鉛酸化物やドープされた亜鉛酸化物などの、蛍光体粒子を組み込むことができる。
【０１３２】
図１１を参照して、結合／分配器(coupler/divider)が示される。結合／分配器２５０は、結合したアーム２５２と、２つの分岐２５４を含む。結合／分配器２５０は、電気伝送または光伝送によって複数のデバイスを接続するために使用可能である。電気および光の伝送にとって適切な材料は、上述している。
【０１３３】
図１２および図１３を参照して、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）が示される。ＦＥＴ３００は、ソース電極３０２と、ドレイン電極３０４と、チャネル３０６と、ゲート電極３０８とを含む。１つまたはそれ以上の素子が、ここで説明した手法を用いて自己集合した材料によって構成可能である。特に、電極３０２，３０４，３０８は、上述の電気伝導性の材料を用いて形成可能である。チャネル３０６は、電気絶縁性の材料で形成可能である。
【０１３４】
特に、ポリマー／無機粒子の複合物の使用は、選択した誘電定数／屈折率を持つデバイスの形成にとって特に有用である。屈折率の設計技術によって、材料は、特定の応用のために具体的に設計可能である。適当な屈折率選択は、電気または光の材料の準備にとって重要となり得る。光学ロスが無い場合、屈折率はおおよそ誘電定数の平方根であり、屈折率の設計技術は誘電定数の設計技術に対応している。こうして屈折率／誘電定数は、特定の材料についての光および電気の両方の応答に関係している。屈折率の設計技術は、電気または光の相互接続の設計において特に好都合となり得る。
【０１３５】
光学材料にとって、光の伝送およびインタフェイスにおける光学特性は、適当な屈折率の選択に直接に依存する。特に、材料の屈折および反射の光学特性は、屈折率に直接に関係する。例えば、高い屈折率材料は、低い屈折率材料とのインタフェイスにおいて、光の屈曲によって光を集束するマイクロレンズを形成するのに使用可能である。光の屈曲角度は、スネル(Snell)の法則、ｎ１・ｓｉｎθ１＝ｎ２・ｓｉｎθ２に従って表現できる。ここで、ｎ１およびｎ２は各材料１，２の屈折率で、θ１およびθ２は各々の角度である。複素屈折率の虚数部は光の吸収に関係する。
【０１３６】
さらに、材料の電気的特性はまた、誘電定数に依存し得る。例えば、材料の静電容量は、材料の誘電定数に直接に比例する。集積回路内での電気相互接続の静電容量を低減するには、低い誘電定数を有することが望ましく、２より小さいのが好ましい。こうして低いＫ材料が集積回路への組立てに望まれている。
【０１３７】
さらに、材料の電気応答についての時定数は、誘電定数に関係する。電界に応答する場合、伝導媒体は、一般に、ｅ−ｇｔ／Ｋに比例したレートで静電気的な平衡に接近する。ここで、ｔは時間、ｇは定数、Ｋは誘電定数である。そして、Ｋがより大きい場合、伝導体はよりゆっくりと平衡に接近する。電界効果トランジスタにおいて、チャネルに隣接した高いＫ材料を有することが望ましい。図１２および図１３に示す実施形態において、チャネル３０６は、ソース電極３０２とドレイン電極３０８に接続している。チャネルに隣接した高いＫ材料の使用は、電流漏れを低減する。
【０１３８】
レーザ熱分解は、広範囲の無機粒子／パウダーの合成のための柔軟な方法であるため、これらの粒子は、所望の誘電定数を持つように選択可能である。具体的には、ＴｉＯ２は、一般に、約２．５から約２．９までの範囲の値という高い屈折率を有する。ＳｉＯ２は、一般に、約１．４５から約１．５までの比較的低い屈折率を有する。ポリマーは、一般に、約１．３から約１．６までの低い屈折率を有する。高い屈折率の複合物は、好ましくは、少なくとも約１．８という屈折率を有する。低い屈折率の複合物は、好ましくは、せいぜい約１．５という屈折率を有する。
【実施例】
【０１３９】
（実施例１−チタン酸化物粒子の形成）
ルチルＴｉＯ２、アナターゼＴｉＯ２、および酸素欠乏ブルーＴｉＯ２の粒子が、レーザ熱分解によって生成された。反応は、図１４〜図１６に示すチャンバと同等なチャンバの中で実行した。
【０１４０】
図１４〜図１６を参照して、熱分解反応システム４００は、反応チャンバ４０２と、粒子回収システム４０４と、レーザ４０６とを含む。反応チャンバ４０２は、反応チャンバ４０２の底部にある反応物入口４１４を含み、そこでは反応物送出システム４０８が反応チャンバ４０２と接続している。本実施形態では、反応物は反応チャンバの底部から供給され、生成物は反応チャンバの頂部から回収される。
【０１４１】
シールドガス導管４１６は、反応物入口４１４の前後に配置される。不活性ガスが、ポート４１８を通じてシールドガス導管４１６に供給される。シールドガス導管は、反応チャンバ４０２の壁に沿ってシールドガスを向けて、反応物ガスまたは生成物が壁と会合するのを抑制している。
【０１４２】
反応チャンバ４０２は、図１４の「ｗ」で示した一方向に沿って延びている。レーザビーム経路４２０は、主チャンバ４２６から管４２４に沿って設けられた窓４２２を通って反応チャンバに入り、反応チャンバ４０２の長手方向を通り抜ける。レーザビームは、管４２８を通過して、窓４３０から出る。好ましい一実施形態では、管４２４，４２８は、窓４２２，４３０を主チャンバから約１１インチ変位させている。レーザビームは、ビームダンプ４３２で終結している。動作時は、レーザビームは、反応物入口４１４によって発生した反応物流と交差する。
【０１４３】
主チャンバ４２６の頂部は、粒子回収システム４０４に対して開口している。粒子回収システム４０４は、主チャンバ４２６の頂部に接続した出口ダクト４３４を含み、主チャンバ４２６からのフローを受け取る。出口ダクト４３４は、反応物流の面から円筒状のフィルタ４３６へ生成粒子を運ぶ。フィルタ４３６は、一端でキャップ４３８を有する。フィルタ４３６の他端はディスク４４０に固定される。通気孔４４２は、ダクトによってポンプに取り付けられる。こうして生成粒子は、反応チャンバ４０２からポンプへのフローによって、フィルタ４３６で捕獲される。
【０１４４】
四塩化(tetrachloride)チタン（Ｓｔｒｅｍ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ社、Ｎｅｗｂｕｒｙｐｏｒｔ、ＭＡ）前駆体の蒸気は、室温で、容器内のＴｉＣｌ４液体を通過するようにＡｒガスを泡立てることによって、反応チャンバ中に運ばれた。レーザ吸収ガスとして、Ｃ２Ｈ４ガスを用い、アルゴンは不活性ガスとして用いた。Ｏ２は、酸素供給源として用いた。追加のアルゴンは、不活性の希釈ガスとして添加した。ＴｉＣｌ４，Ａｒ，Ｏ２，Ｃ２Ｈ４を含有した反応物ガスの混合は、反応物チャンバ内へ注入するための反応物ガスノズルの中に導入した。
【０１４５】
ルチルＴｉＯ２粒子およびアナターゼＴｉＯ２粒子の生成のための代表的な反応条件は、（表１）に記載されている。ブルー酸素欠乏ルチルＴｉＯ２（ＴｉＯ２−２）は、粒子回収器をしかるべく位置決めすることで反応ゾーンにより近くで回収された点を除いて、（表１）のルチルＴｉＯ２粒子（ＴｉＯ２−１）と同じ条件から得た。低いチャンバ圧力および酸素の低い部分圧は、結果として得られるＴｉＯ２での酸素欠乏性に寄与する。空気中で粒子を少し加熱すると、ブルー色の喪失およびルチル構造の形成という結果が得られる。
【０１４６】
【表１】
0004646490.tif 000002
【０１４７】
（表１）の条件下で生成した生成ナノ粒子のＸ線回折グラフは、図１７に示す。サンプルＴｉＯ２−１は、ルチルＴｉＯ２に対応したＸ線回折グラフを有する。サンプルＴｉＯ２−２は、サンプルＴｉＯ２−１に類似したＸ線回折グラフを有する。サンプルＴｉＯ２−３は、アナターゼＴｉＯ２に対応したＸ線回折グラフを有する。図１７でのピーク幅広がりは、サンプル１が他の２つのサンプルより結晶性が劣ることを示している。サンプルＴｉＯ２−１のスペクトルでの幾つかのピークは、アモルファス相に由来すると思われる。
【０１４８】
（実施例２−粒子懸濁液(suspension)の形成）
本例は、実施例１で説明したように、レーザ熱分解によって生成したチタン酸化物のナノ粒子について充分に分散した希釈溶液の形成に関する説明を提供する。
【０１４９】
懸濁液は、実施例１で説明したそれぞれ３つのタイプのＴｉＯ２粒子を用いて形成した。３つのパウダーは、水、エタノール、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）、シクロヘキサン、シクロヘキサノン、およびフェンティドロン(phentydrone)（１，２，３，４−テトラハイドロ−９−フルオレノン(fluorenone)，ＴＨＦ）の中に別々に懸濁させた。懸濁液は、液体１３グラムの中に９．７５ミリグラム（ｍｇ）のＴｉＯ２パウダーによって形成し、０．０７５重量％のＴｉＯ２を持つ懸濁液が得られた。サンプルは、超音波浴においてそれぞれ２時間の超音波分解を行った。そして、全サンプルの相対的沈降は、並行して２週間の間、視覚的に検知した。
【０１５０】
結果を（表２）に示す。全サンプルの相対的沈降は、２週間後の観察結果に続く括弧内に、数字１が最悪で、数字７が最良として記録し、そして数ヶ月後の結果もある。
【０１５１】
【表２】
0004646490.tif 000003
【０１５２】
短い期間で最良の懸濁液（即ち、２週間後に最小の懸濁が観察されたもの）は、シクロヘキサノンおよびエタノールを用いて形成したものだった。ＴＨＦもまた、サンプルの１つを極めて良好に懸濁する。これらの懸濁液は、２週間後であっても、皆無またはほんの少しだけの粒子堆積を示す。２週間後の観察について相対ランキングのグラフは、誘電定数（Ｋ）の関数として、図１８に示す。このプロットは、中間の極性を有する溶媒／分散剤は最良の懸濁液を提供し、一方、極めて低いまたは極めて高い誘電定数を有する溶媒は適切なものでないことを示唆している。
【０１５３】
懸濁液中の二次粒子サイズは、堀場製粒子サイズアナライザ（堀場、京都、日本）を用いて評価した。粒子サイズアナライザを用いた解析は、粒子を充分に懸濁させる全ての分散剤を用いて良好な分散／低い凝集を示した。一般に、全ての懸濁粒子は、８０ｎｍ以下のサイズ領域にあり、より低い平均粒子サイズで幅広い分布を持つものだった。
【０１５４】
粒子サイズアナライザは、３０ｎｍで検出限界を有していたため、内部標準は、３０ｎｍより小さい直径を持つ粒子の数を推測するのに用いた。良好な特徴を有する工業用ＴｉＯ２パウダー（Ｒ７０６、平均粒子サイズ０．３６ミクロン、Ａｌ２Ｏ３のコーティング付き、デュポン社、Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ、ＤＥ）は、ナノ粒子と重量比１：１で混合した。結果として得られた懸濁液は、堀場製粒子サイズアナライザを用いて解析した。約１０％より少ないナノ粒子が観測された。そして、大部分のナノ粒子は、約３０ｎｍより小さい直径を有し、粒子サイズアナライザでは検出されない。にもかかわらず、粒子サイズアナライザで測定した傾向は、凝集レベルを示すものであった。特に、良好な分散は、粒子を懸濁する際に良好に作用する溶媒を用いて形成した。
【０１５５】
吸収スペクトルは、エタノール中で濃度０．００３重量％のチタン酸化物粒子について得られた。ＴｉＯ２−１、ＴｉＯ２−２、ＴｉＯ２−３サンプルについてのスペクトルは、図１９〜図２１にそれぞれ示す。比較のため、同様なスペクトルは、エタノール中で濃度０．００３重量％で分散した２つの工業用ＴｉＯ２パウダーについて得ており、それは図２２と図２３に示す。第１の工業用パウダー（図２２）は、Ａｌｆａ  Ａｅｓａｒ社、Ｗａｒｄ  Ｈｉｌｌ、ＭＡから入手し、０．１７ミクロンの平均粒子サイズであった。第２の工業用パウダー（図２３）は、Ａｌｄｒｉｃｈ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ社、Ｍｉｌｗａｕｋｅｅ、ＷＩから入手し、０．２６ミクロンの平均粒子サイズであった。
【０１５６】
図２３のＴｉＯ２吸収スペクトルは、バルクＴｉＯ２の典型例であり、スペクトルの可視および赤外部分で大きな吸収を有する。これに対して、図１９〜図２１のパウダー吸収スペクトルは、スペクトルの可視および赤外部分で極めて低減した吸収を有し、紫外において増強した吸収を有する。吸収スペクトルのシフトおよび狭幅化は、低減した粒子サイズに起因している。図１９〜図２１のレーザ熱分解材料のスペクトルは、図２２のスペクトルを産出したパウダーと比較して、一様により低くなった可視吸収と、狭帯化し増強した紫外吸収とを有する。
【０１５７】
（実施例３−チタン酸化物粒子の表面処理）
３つのタイプのＴｉＯ２粒子の表面処理は、シリル化(silylation)試薬として、アミノプロピルトリエトキシシラン(aminopropyl triethoxy silane)（ＡＰＴＥＳ）を用いて行った。ＡＰＴＥＳは、下記の反応によって粒子と結合すると考えられる。
【０１５８】
粒子−Ｔｉ−ＯＨ＋（（ＣＨ３ＣＨ２Ｏ）３−ＳｉＣＨ２ＣＨ２ＣＨ２ＮＨ２  ｏ
粒子−Ｔｉ−Ｏ−Ｓｉ（ＯＣＨ２ＣＨ３）２ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ２ＮＨ２
【０１５９】
エトキシ基の更なる連続的な加水分解は、エーテルタイプの結合を介して、粒子への追加のＳｉ結合を形成できる。シリル化試薬の何らかの自己重合も生じることがあり、特に、過剰なシリル化試薬および水が存在した場合である。
【０１６０】
測定した粒子のＢＥＴ表面積に基づいて、リンカーの単層と比較して、粒子表面のＡＰＴＥＳ１／２，１および２の量を計算した。全てのシリル化試薬が結合しないで、シリル化試薬の何らかの自己重合が生じ得るため、過剰なシリル化試薬は追加可能である。被覆度を計算するため、ＡＰＴＥＳは、表面に対して垂直(normal)に粒子と結合すると推定した。そして、分子サイズの推測を行った。この計算は、被覆度の粗い推測値を提供するのみである。後述のように、これらの計算による見積もりより、粒子表面上にはより高い被覆度が生じていることを実験的に見つけた。
【０１６１】
実験は、粒子のコーティングを検査して行った。下記の例で説明するように、これらのシリル化粒子は、ポリマー複合物を形成するために後で用いた。これらの複合物を形成する際、ポリマーは、溶液から除去しないで、コート付粒子とともに反応させた。興味のある１つのポリマー、ポリアクリル酸、は、シクロヘキサノンよりもエタノール中でより溶解可能であることから、エタノールを溶媒として用いた。さらに、エタノールは水分を良く吸収するとともに、水分はエトキシ基の加水分解を助けるのに必要であった。
【０１６２】
シリル化粒子を準備するため、水の痕跡を有する新しいエタノール中にＡＰＴＥＳ溶液を、５０％被覆度、１００％被覆度および２００％被覆度について適切な量で用意した。何らかの試薬が溶液中に残って、計算した被覆度の値が粗い推測値であることを仮定して、追加の試薬を用いた。１００ｍｇのＴｉＯ２−３および４ｇの溶液を有するガラス瓶を乾燥箱外側に用意して、水分を摂取させた。しかしながら、水への露出は回避して、ガラス瓶は、溶液追加の後で封止した。封止したガラス瓶は、超音波処理してから、約７２時間放置した。
【０１６３】
パウダーは、ガラス瓶の底部に沈澱した。上澄みのきれいな溶液、即ち、沈澱した粒子の上方にある溶液は、ピペットで除去し、新しいエタノールを追加した。するとパウダーは、充分に懸濁した。上澄み液は、未反応のシリル化剤を含むことが判った。５０％被覆度、１００％被覆度および２００％被覆度に充分なＡＰＴＥＳの推定量で用意したサンプルにおいて、上澄み溶液として除去した元のＡＰＴＥＳの百分率は、それぞれ４４．７％，２８．７％，３２．４％であった。こうして、初期の溶液が２００％被覆度についての推定量を有し、５０％より小さい部分が回復した場合、１００％以上の被覆度が得られたことから、計算した推定値は、粒子でのＡＰＴＥＳ被覆度の意味において低くなるように見える。
【０１６４】
懸濁したシリル化粒子とポリアクリル酸との相互作用は、下記の実施例で説明する。
【０１６５】
（実施例４−ポリ（アクリル酸）／チタン酸化物粒子の複合物の形成）
シラン系リンカーを伴うポリ（アクリル酸）およびＴｉＯ２−３パウダーを有する複合物の形成は、本実施例で説明する。実施例３で説明した充分に懸濁したＡＰＴＥＳコート付きＴｉＯ２−３粒子は、これらの研究に使用した。
【０１６６】
ポリアクリル酸は、シリル化剤の第１アミンとともにカルボン酸基によって反応して、アミド結合を形成すると考えられる。ポリマーと表面処理粒子との最初の相互作用は、第１アミンとのカルボン酸の塩形成に関係する。そして、１４０θ〜１６０θの温度で、塩の単位体(unit)は濃縮して、アミド結合を形成する。この反応は、概略的に下記のように示される。
【０１６７】
ポリマー−ＣＯＯＨ＋Ｈ２Ｎ−…−Ｓｉ−Ｏ−Ｔｉ−粒子  ｏ
ポリマー−ＣＯＮＨ−…Ｓｉ−Ｏ−Ｔｉ−粒子
【０１６８】
複合物のフーリエ変換赤外スペクトルは、１６６４ｃｍ−１で赤外吸収バンドを有し、これはアミド結合の周波数特性である。２０００ＭＷポリマーおよび２倍単層量のＴｉＯ２−３で形成した複合物についてのこの赤外吸収スペクトルは、図２４にラベルＡで示している。非修飾粒子で形成した複合物についての対応するスペクトルは、図２４にラベルＢで示している。ポリマーについてチタン酸化物粒子無しでの赤外吸収スペクトルは、図２４にラベルＣで示している。図２４のラベルＢ，Ｃのスペクトルは、アミド吸収バンドを欠いている。
【０１６９】
図２４のラベルＡのスペクトルは、構成成分を結合した後に１４０θＣで処理した複合物に関係している。このスペクトルはまた、図２５にラベルＡで示している。１２０θＣで処理した複合物のスペクトルは、図２５にラベルＢで示し、あまり目立たないアミド結合の形成を示している。２３０θＣで処理した複合物のスペクトルは、図２５にラベルＣで示し、アミド結合構造の増加を示している。
【０１７０】
複合物は、２つの異なるポリマー分子量および２つの異なる粒子の添加量でもって形成した。ポリ（アクリル酸）（ＰＡＡ）もまた、シリル化剤で修飾していない粒子の分散に添加した。懸濁した処理粒子は、異なる複合物を形成するための相等しいサンプルに分離した。より高い粒子添加量のサンプルは、チタン酸化物粒子当り１重量当量のＰＡＡで生成して、５０重量％の粒子を有する複合物を生成した。より低い粒子添加量のサンプルは、チタン酸化物粒子当り９重量当量のＰＡＡで生成して、１０重量％の粒子を有する複合物を生成した。低い分子量のポリマーは、平均分子量２０００ダルトン(Daltons)を有し、高い分子量のポリマーは、平均分子量２５００００ダルトンを有していた。こうして４つのタイプのサンプルの全ては、機能付与したＴｉＯ２−３粒子で生成され、４つの制御サンプルが未処理のＴｉＯ２−３粒子で生成された。
【０１７１】
複合物をコーティングとして適用した場合、処理粒子で形成したサンプルと未処理粒子で形成したサンプルとの間で劇的な相違が微細構造において観察される。コーティングは、表面上に液滴を置くことによって形成した。液滴は表面上に広がって、乾燥させた。乾燥した複合物は、さらに解析した。特に、機能付与していない粒子と比べて、より滑らかな材料は、機能付与した粒子を用いて形成された。同様に、著しい相違は、高い分子量のポリマーおよび低い分子量のポリマーで生成したサンプル間で観察された。より低い分子量のポリマーは、より滑らかな材料が得られた。
【０１７２】
シリル化粒子および未処理粒子を持つ複合物で形成したコーティングについて、走査電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）が得られた。２０００ＭＷポリマーで１０％粒子添加量のシリル化、即ち、処理した粒子および未処理粒子についてのＳＥＭ写真は、２つの拡大率で図２６〜図２９に示している。処理した粒子を持つ複合物（図２６と図２７）は、未処理粒子を持つ複合物（図２８と図２９）よりも、滑らかで、より均質な材料を形成しているように見える。同様に、５０重量％の粒子添加量で処理した粒子および未処理粒子を持つ複合物についてのＳＥＭ写真は、２つの拡大率で図３０〜図３３に示している。処理した粒子を持つコーティング（図３０と図３１）は、滑らかで均質なコーティングを形成しているのに対して、未処理粒子を持つ複合物（図３２と図３３）は、凝集して粗い表面を示している。
【０１７３】
分子量２５００００ダルトンを有するポリマーで形成した複合物についての比較した写真が得られた。１０重量％の粒子添加量を持つ複合物についてのＳＥＭ写真は、２つの拡大率で図３４〜図３７に示している。処理した粒子を用いたもの（図３４と図３５）は、未処理粒子を含む複合物を用いたもの（図３６と図３７）より、より少ない凝集が観察された。５０重量％の添加量を持つ複合物についてのＳＥＭ写真は、図３８〜図４１に示している。そして、処理した粒子で形成した複合物（図３８と図３９）は、未処理粒子で形成した複合物（図４０と図４１）よりも、より均一で凝集がより少ないフィルムを形成している。
【０１７４】
複合物の熱的安定性を検査するために、微分走査熱量測定法を用いた。サンプルは、最初に高い真空下で６０θＣで乾燥させた。（１）シランリンカーで修飾したＴｉＯ２の５０％添加量およびＰＡＡ（２０００ＭＷ）、（２）未修飾のＴｉＯ２の５０％添加量およびＰＡＡ（２０００ＭＷ）、（３）エタノールで凝固(solidified)したＰＡＡ（２０００ＭＷ）、（４）製造会社からのＰＡＡ（２０００ＭＷ）について、結果を図４２にプロットした。機能付与された粒子で形成した複合物は、著しく高い熱的安定性を示した。
【０１７５】
（実施例５−ポリエチレングリコール添加による可能性ある自己組織化についての証拠）
実施例４で説明した、シリル化で機能付与したＴｉＯ２粒子およびＰＡＡで形成した複合物は、ポリエチレングリコールでさらに混合して、得られた構造を検査した。
【０１７６】
ＰＡＡ（２０００ＭＷ）で５０％（１：１）のＴｉＯ２添加量を有する実施例４のＴｉＯ２−ＰＡＡ複合物は、エタノール中でポリエチレングリコール（ＰＥＧ）とともに混合した。混合は、９０重量％のＰＥＧと、１０重量％のＴｉＯ２−ＰＡＡ複合物を含んでいた。ＰＥＧ−ＴｉＯ２−ＰＡＡ複合物は、複合物を表面の上に滴下して、材料を乾燥させることによって、コーティングとして形成した。代わりに、複合物は、フィルムとして成型(cast)した。この２つの手法によって、同等な結果が得られた。比較のため、ＴｉＯ２粒子が全く無いポリマー混合を形成した。これらのポリマー混合は、粘着性の表面を形成し、滑らかな表面を形成しなかった。
【０１７７】
複合物を形成するために未処理のＴｉＯ２粒子を用いた場合、ＰＥＧ添加後に得られた混合物は、ポリマーフィルム内で均質な分散粒子を有していた。幾つかのランダムな粒状物(grain)が視覚的に観測可能で、わずかな剥れ(stripping)が見られた。しかしながら、シリル化による機能付与粒子を有する複合物を用いた場合、複数の領域に分離した。具体的には、目立った剥れパターンが見られた。幾何パターンへの組織化は、自己組織化についての直接的証拠を提供している。
【０１７８】
（実施例６−ポリアミドを有する複合物）
本実施例は、チタン酸化物／ナイロン複合物の形成に関係する。これらの複合物は、シリル化したチタン酸化物粒子を６−アミノカプロン(amino-caproic)酸と反応させることによって形成した。本実施例は、有機種の重合化と同時に複合物の形成を説明する。
【０１７９】
６−アミノカプロン酸は、自己重合が可能であり、ポリアミドを形成する。自己重合に続いて、得られたポリアミドのコーティングは、小さく精密な羽毛状のパターンを形成する。チタン酸化物粒子無しのポリマーについての対応するＳＥＭ写真は、２つの拡大率で図４３と図４４に示している。未処理粒子を用いてポリアミドを有する複合物を形成した場合、粒子はポリマー内で分離し、均質な複合物を形成しなかった。このことは、２つの拡大率での図４５と図４６のＳＥＭ写真に明瞭に見える。この材料の下地構造は、ポリアミドポリマー単独と類似したパターンを形成する。しかしながら、処理した、即ち、シリル化したＴｉＯ２−３粒子で複合物を形成した場合、複合物は、ポリマー単独で形成した結晶化パターンとは異なる結晶化パターンを形成した。具体的には、複合物は、より長い範囲の規則性(order)を持つパターンを形成し、多重に分岐して、異なる範囲スケールで規則正しく整列した。５０重量％の粒子添加量を持つ複合物についてのＳＥＭ写真は、２つの拡大率で図４７と図４８に示しており、高度に規則正しい構造への粒子組込みを説明している。
【０１８０】
（実施例７−アジピン(adipic)酸を有する複合物）
本実施例は、モノマーユニットで形成した複合物の形成を説明する。この場合、モノマー自体は重合化されない。モノマーは、機能付与されたＴｉＯ２粒子と相互作用して、ポリマーを形成し、粒子自体は全体のポリマー構造内でスター結合を形成する。
【０１８１】
モノマーユニットは、アジピン酸、ＨＯＯＣ（ＣＨ２）６ＣＯＯＨである。アジピン酸は、各カルボン酸官能基とともにシリル化剤の第１アミンに結合可能である。こうして網状組織(network)内のポリマーは、最終ポリマーでのモノマーユニットとして機能するアジピン酸およびシリル化粒子を用いて形成される。アジピン酸が機能付与された粒子と反応した場合、フーリエ変換赤外測定法はアミド結合形成の証拠を提供する。シリル化粒子を有する場合（Ａ）、アミド結合および未処理粒子を有する場合（Ｂ）の複合物の赤外スペクトルは、図４９に示している。
【０１８２】
未処理ＴｉＯ２粒子を用いて形成し、得られたＴｉＯ２ポリマー複合物において、パターン無しの均質なコーティングを形成する。シリル化ＴｉＯ２粒子で形成した複合物において、目に見える粒子の凝集が存在し、検査時に明瞭に見える単一のバンドを形成している。
【０１８３】
上述した実施形態は、実証的であって、制限的でないものである。追加の実施形態はクレームの範囲内である。本発明は、好ましい実施形態を参照しつつ説明したが、当業者は発明の精神および範囲から逸脱しないで形態および詳細を変更できるものと認識するであろう。
【図面の簡単な説明】
【０１８４】
【図１】ポリマー／無機粒子複合物の一実施形態の概略図である。
【図２】低度の架橋した網目を持つポリマー／無機粒子複合物の代わりの実施形態の概略図である。
【図３】複数のリンカーと結合して、複合物の中でスター結合を形成する無機粒子を描写した概略図である。
【図４】高度の架橋を持つポリマー／無機粒子複合物の他の代わりの実施形態の概略図である。
【図５】ポリマー鎖に繋がれたポリマー／無機粒子複合物の一実施形態の概略図である。
【図６】部分的に繋がれた、ポリマー／無機粒子複合物の実施形態能力を持つコポリマーの概略図である。
【図７】架橋され繋がれた粒子を持つポリマー／無機粒子複合物の一実施形態の概略図である。
【図８】リンカー化合物を介してブロックコポリマーの１ブロックとの結合を形成する無機粒子を描写した概略図である。
【図９】ジブロック(diblock)コポリマーの別のブロックとの結合を形成する２つのタイプの無機粒子とともに形成された複合物を描写した概略図である。
【図１０】ポリマー／無機粒子複合物を少なくとも一部に含んだ集積デバイスの概略図である。
【図１１】ポリマー／無機粒子複合物を含むカプラの概略図である。
【図１２】電界効果トランジスタの平面図である。
【図１３】図９の電界効果トランジスタの側面図である。
【図１４】チタン酸化物の生産において使用されるレーザ熱分解(pyrolysis)装置の斜視図である。
【図１５】図１４のレーザ熱分解装置の破断側面図である。
【図１６】図１４のライン１６−１６に沿った、図１４のレーザ熱分解装置の断面図である。
【図１７】３つの異なるＴｉＯ２  パウダーサンプルの各々について、３つのＸ線回折グラフのプロット図である。
【図１８】溶媒誘電定数の関数として、分散を形成するための相対的ランキングののプロット図である。
【図１９】エタノール中でのＴｉＯ２  −１の０．００３重量％の分散について、波長の関数として任意単位での吸収スペクトルのプロット図である。
【図２０】エタノール中でのＴｉＯ２  −２の０．００３重量％の分散について、波長の関数として任意単位での吸収スペクトルのプロット図である。
【図２１】エタノール中でのＴｉＯ２  −３の０．００３重量％の分散について、波長の関数として任意単位での吸収スペクトルのプロット図である。
【図２２】エタノール中での、１つの商業ブランドのＴｉＯ２  の０．００３重量％の分散について、波長の関数として任意単位での吸収スペクトルのプロット図である。
【図２３】エタノール中での、第２の商業ブランドのＴｉＯ２  の０．００３重量％の分散について、波長の関数として任意単位での吸収スペクトルのプロット図である。
【図２４】ポリアクリル酸単独およびポリ（アクリル酸）チタン酸化物複合物の２つの組成物について、フーリエ変換−赤外吸収スペクトルのプロット図である。
【図２５】ポリ（アクリル酸）−チタン酸化物複合物について３つの異なる温度で処理したものの、フーリエ変換−赤外吸収スペクトルのプロット図である。
【図２６】ポリ（アクリル酸）−ＴｉＯ２  複合物についてシリル化(silylated)された粒子を１０重量％添加して形成したものの、ある拡大率での走査電子顕微鏡写真である。
【図２７】図２６の複合物サンプルについて、より高い拡大率での走査電子顕微鏡写真である。
【図２８】ポリ（アクリル酸）−ＴｉＯ２  複合物について未処理粒子を１０重量％添加して形成したものの、ある拡大率での走査電子顕微鏡写真である。
【図２９】図２８の複合物サンプルについて、より高い拡大率での走査電子顕微鏡写真である。
【図３０】ポリ（アクリル酸）（２０００ＭＷ）−ＴｉＯ２  複合物についてシリル化された粒子を５０重量％添加して形成したものの、ある拡大率での走査電子顕微鏡写真である。
【図３１】図３０の複合物サンプルについて、より高い拡大率での走査電子顕微鏡写真である。
【図３２】ポリ（アクリル酸）（２０００ＭＷ）−ＴｉＯ２  複合物について未処理粒子を５０重量％添加して形成したものの、ある拡大率での走査電子顕微鏡写真である。
【図３３】図３２の複合物サンプルについて、より高い拡大率での走査電子顕微鏡写真である。
【図３４】ポリ（アクリル酸）（２５００００ＭＷ）−ＴｉＯ２  複合物についてシリル化された粒子を１０重量％添加して形成したものの、ある拡大率での走査電子顕微鏡写真である。
【図３５】図３４の複合物サンプルについて、より高い拡大率での走査電子顕微鏡写真である。
【図３６】ポリ（アクリル酸）（２５００００ＭＷ）−ＴｉＯ２  複合物について未処理粒子を１０重量％添加して形成したものの、ある拡大率での走査電子顕微鏡写真である。
【図３７】図３６の複合物サンプルについて、より高い拡大率での走査電子顕微鏡写真である。
【図３８】ポリ（アクリル酸）（２５００００ＭＷ）−ＴｉＯ２  複合物についてシリル化された粒子を５０重量％添加して形成したものの、ある拡大率での走査電子顕微鏡写真である。
【図３９】図３８の複合物サンプルについて、より高い拡大率での走査電子顕微鏡写真である。
【図４０】ポリ（アクリル酸）（２５００００ＭＷ）−ＴｉＯ２  複合物について未処理粒子を５０重量％添加して形成したものの、ある拡大率での走査電子顕微鏡写真である。
【図４１】図４０の複合物サンプルについて、より高い拡大率での走査電子顕微鏡写真である。
【図４２】２つのポリ（アクリル酸）サンプルおよび２つのポリ（アクリル酸）−ＴｉＯ２  複合物について、微分走査熱量測定のプロット図である。
【図４３】６−アミノカプロン酸の重合から得られたポリアミドポリマーのフィルムについて、ある拡大率での走査電子顕微鏡写真である。
【図４４】図４３のフィルムについて、より高い拡大率での走査電子顕微鏡写真である。
【図４５】ポリアミド−ＴｉＯ２  複合物について、未処理粒子を５０重量％添加して形成したものの、ある拡大率での走査電子顕微鏡写真である。
【図４６】図４５の複合物について、より高い拡大率での走査電子顕微鏡写真である。
【図４７】ポリアミド−ＴｉＯ２  複合物について、シリル化された粒子を５０重量％添加して形成したものの、ある拡大率での走査電子顕微鏡写真である。
【図４８】図４７の複合物について、より高い拡大率での走査電子顕微鏡写真である。
【図４９】アジピン酸およびＴｉＯ２  ポリマーから形成された２つの複合物について、フーリエ変換−赤外スペクトルのプロット図である。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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