(57)【要約】【課題】  量子サイズ効果を有する酸化亜鉛超微粒子等の製造方法を提供する。【解決手段】  金属酸化物半導体を超微粒子化してその超微粒子材料を製造する方法であって、溶媒中で還流して溶解した金属塩溶液を、同じく溶媒中に溶解した触媒溶液と混合して金属塩を加水分解し、金属酸化物の５ｎｍ以下、１ｎｍ以上の直径を有する超微粒子を合成することを特徴とする金属酸化物超微粒子の製造方法であり、例えば、溶媒中で還流して溶解した亜鉛塩溶液を、同じく溶媒中に溶解した触媒溶液と混合して亜鉛塩を加水分解し、酸化亜鉛の５ｎｍ以下の直径を有する超微粒子を合成する前記の方法、亜鉛塩溶液の濃度が、０．０１〜０．５Ｍである前記の方法、及び亜鉛塩溶液と触媒溶液を混合する温度が、−８０〜８０℃である前記の方法。【効果】  無機非線形光学材料として有用な酸化亜鉛超微粒子等を合成し、提供することができる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属酸化物半導体を超微粒子化して量子サイズ効果を有する金属酸化物超微粒子材料を製造する方法であって、溶媒中で還流して溶解した金属塩溶液を、同じく溶媒中に溶解した触媒溶液と混合して金属塩を加水分解し、金属酸化物の５ｎｍ以下、１ｎｍ以上の直径を有する超微粒子を合成することを特徴とする金属酸化物超微粒子の製造方法。
【請求項２】
溶媒中で還流して溶解した亜鉛塩溶液を、同じく溶媒中に溶解した触媒溶液と混合して亜鉛塩を加水分解し、酸化亜鉛の５ｎｍ以下の直径を有する超微粒子を合成する請求項１記載の金属酸化物超微粒子の製造方法。
【請求項３】
亜鉛塩を溶媒中で還流する時間が、１〜５時間である請求項２記載の金属酸化物超微粒子の製造方法。
【請求項４】
亜鉛塩溶液の濃度が、０．０１〜０．５Ｍである請求項２記載の金属酸化物超微粒子の製造方法。
【請求項５】
亜鉛塩溶液と触媒溶液を混合する温度が、−８０〜８０℃である請求項２記載の金属酸化物超微粒子の製造方法。
【請求項６】
亜鉛塩溶液に触媒溶液を一息に流下して混合することを特徴とする請求項２記載の金属酸化物超微粒子の製造方法。
【請求項７】
亜鉛塩として、亜鉛の硝酸塩、炭酸塩、又は酢酸塩を用いる請求項２記載の金属酸化物超微粒子の製造方法。
【請求項８】
亜鉛塩を加水分解する際の触媒が、塩基触媒である請求項２記載の金属酸化物超微粒子の製造方法。
【請求項９】
塩基触媒として、金属水酸化を用いる請求項１又は２記載の金属酸化物超微粒子の製造方法。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれかに記載の方法で作製された、金属酸化物超微粒子からなることを特徴とする無機非線形光学材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次非線形光学材料を合成する技術に関するものであり、更に詳しくは、酸化物半導体の３次非線形効果の特徴を用いて、光コンピューターの素子等に使用することが可能な酸化亜鉛超微粒子等の金属酸化物超微粒子を製造する方法に関するものである。本発明は、無機非線形光学材料の合成方法の技術分野において、従来法では、例えば、カルコゲナイド系化合物の合成方法にみられるように、合成する際に有毒なガスあるいは薬品を用いることから、その合成過程及びガスあるいは薬品の処理過程において安全性の面で多大の設備投資を余儀なくされる等の問題があったことを踏まえ、それらの問題のない新しい合成方法により、優れた性能を有する無機非線形光学材料として有用な、量子サイズ効果を有する酸化亜鉛超微粒子等の金属酸化物超微粒子の新しい合成方法を提供するものである。
【背景技術】
【０００２】
非線形材料とは、材料に入力した光の振幅に正比例しない大きな出力を持つものである。半導体超微粒子（大きさが１００Å以下）中に電子と正孔が閉じ込められた場合、バンドギャップエネルギーはバルク結晶中とは異なった振る舞いをする。
【０００３】
電子準位が離散的になるとともに、バンドギャップ幅が広がり、超微粒子の半径とボーア半径の関係によって励起子閉じ込め効果あるいは電子・正孔対閉じ込め効果が生じる。このような現象を量子サイズ効果と呼ぶ。励起子にレーザー光のような位相・波長のそろった強い光を照射すると高次の分極が起こり、ａ）波長によって屈折率が変化する非線形屈折率効果、ｂ）光強度によって吸光度が変化する非線形吸収効果、ｃ）位相共役波発生、ｄ）誘導ラマン散乱、等の効果が現れる。非線形光学効果を用いた光学素子により、現在使われている電子コンピューターに代わって、光子を用いた光コンピューターを開発する必要となると推測される。光コンピューターは、上述したような非線形材料などを用いて、光を能動的に変換する機能も有するもので、単純な計算速度の高速化だけでなく、大きな質的な変化を伴うものである。
【０００４】
現在の電子計算機は、電圧により０と１を制御するフォン・ノイマン型の計算機である。デスクトップコンピューターの中央演算子のクロック数は、現在、２ＧＨｚから３ＧＨｚが最高である。今後もクロック数の高速化が進展すると推測される。「ムーアの法則」によれば、半導体の集積密度は１８〜２４ヶ月で倍増するとされている。例えば、世界最小のトランジスターの開発が発表されたが、実用化されるのは２０１８年近辺とのことである（非特許文献１）。
【０００５】
奇しくも、最近、米国Ｉｎｔｅｌ社の技術者が発表した論文（非特許文献２）によれば、控えめに見積もっても２０１８年までには１６ｎｍ製造プロセスが実現するが、これが根本的な限界だとしている。その後は、テラＨｚの演算速度を実現できる光コンピューターが発展して行くと考えられる。
【０００６】
例えば、光は、既に光ファイバーによる情報の伝達に用いられている。光ファイバーは、銅線よりはるかに細いうえに、流すことのできる情報量は銅線よりも桁違いに多く、速い。また、地核の最大構成物質であるシリカを用いるので、銅などに比較して、原料はほぼ無尽蔵である上に毒性もない。
【０００７】
すべての処理を光で行う光コンピューター自体は未だ実現されていないが、光ファイバー以外にもオプトエレクトロニクスとして電子を光で補完する装置として、光導波路、発光ダイオードの電流変調などの技術が開発されている。
【０００８】
非線形光学材料を光コンピューターに利用する場合には、例えば、光双安定性素子による光メモリー、光スイッチ等が研究されている。最終的には光演算子により、全部光によって信号を処理するのが、最終的な目標となるが、現状は、未だ、そこまでは至っていない。
【０００９】
半導体微粒子に非線形光学効果が発見されたのは、１９８０年代になってからである。シャープカットフィルターとして古くから用いられていたＣｄＳx Ｓｅ1-x がドープされていたガラスフィルターでＪａｉｎらが大きな非線形効果を発見したのが最初である（非特許文献３）。初期の研究では、市販のフィルターガラスを用いていたが、微粒子の体積密度が低いために、微粒子自身の非線形感受率は高いが、ガラス全体の感受率は低かった。その後、高濃度に微結晶をガラス中に分散させる研究が行われるようになった。
【００１０】
微粒子を分散させる媒質は、微粒子の吸収端波長で透明であれば、ポリマーも媒質として用いることが可能である。媒質としてＡＳ共重合体を用いた例がある。この場合、ＡＳポリマーとカドミウム塩をジメチルホルムアミドに溶解し、減圧乾燥させることでフィルムを生成し硫化水素中に保存することでＣｄＳ微粒子が生成する。
【００１１】
従来、微粒子を生成するのに用いられてきた材料は、最初に非線形光学効果が発見されたのがＣｄＳ分散ガラスであったこともあって、カルコゲナイドに関する研究が主に行われてきた（ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳ）。これらの化合物は、有毒である。カドミウム単体でも有毒であるが、化合物を合成する場合に、更に、Ｈ2 Ｓ、Ｈ2 Ｓｅといった有毒ガスを用いる。
【００１２】
カルコゲナイド系の化合物は、Ｊａｉｎ等の研究に続いて、１９９０年代に盛んに研究が行われ、現在も活発に研究が行われている。これらの研究により、３次非線形材料として必要な、非線形感受率及び応答速度を有するようになった。しかし、カルコゲナイド系の化合物は、前述のように、合成する際に有毒なガスあるいは薬品を用いるので危険が大きい。工業的に製造する場合には、実験室規模の試料の合成とは違って、危険なガスを未処理のまま排出しないように、分解あるいは吸着剤に吸着させるといった設備投資が必要である。また、製品が不要となった場合、未処理のまま廃棄すると環境汚染の原因となるので、処分する場合にも何らかの形で廃棄物の環境汚染をあらかじめ防止する必要がある。カルコゲナイド系の化合物を用いると、このように安全面での設備投資を余儀なくされ、コストが高くなるので実用化するのには多くの問題がある。
【００１３】
有機非線形光学材料に関しても研究が行われている。ポリジアセチレンなどが主な研究対象であるが、有機非線形光学材料は、強力なエネルギーを持ったレーザー光に照射されると徐々に劣化し、無機材料に比較して経時劣化が大きいという問題がある。また、非線形感受率もカルコゲナイド半導体超微粒子に比較して２桁程度遅いという問題もある。
【００１４】
このように、合成するのが危険な化合物、劣化の著しい有機物に代わって、安全に製造することが可能で、かつ優れた耐久性を有する材料が求められている。
【００１５】
【非特許文献１】朝日新聞２００３年１２月８日朝刊、第一面総合欄
【非特許文献２】V.V. Zhirnov, R.K.Cavin, J.A. Hutchby G.I. Bourunoff, Proceedings ofthe IEEE, vol.91, No.11,1934(2003).
【非特許文献３】R.K.Jain and R.C.Lind , Journal of the Optical Society of America, vol.73,647(1983).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、安全、安価、簡便、高耐久性を有するとともに、優れた性能を有する無機非線形光学材料を合成する方法を開発することを目標として鋭意研究を積み重ねた結果、酸化物半導体を超微粒子化することにより非線形光学材料を得ることができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１７】
本発明は、酸化物半導体超微粒子を非線形光学材料として、光コンピューターの光コンピューターデバイスとして、光双安定素子、空間光変調管、実時間光ＩＣ周波数分析器などに応用することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記課題を解決するための本発明は、以下の技術手段から構成される。
（１）金属酸化物半導体を超微粒子化して量子サイズ効果を有する金属酸化物超微粒子材料を製造する方法であって、溶媒中で還流して溶解した金属塩溶液を、同じく溶媒中に溶解した触媒溶液と混合して金属塩を加水分解し、金属酸化物の５ｎｍ以下、１ｎｍ以上の直径を有する超微粒子を合成することを特徴とする金属酸化物超微粒子の製造方法。
（２）溶媒中で還流して溶解した亜鉛塩溶液を、同じく溶媒中に溶解した触媒溶液と混合して亜鉛塩を加水分解し、酸化亜鉛の５ｎｍ以下の直径を有する超微粒子を合成する前記（１）記載の金属酸化物超微粒子の製造方法。
（３）亜鉛塩を溶媒中で還流する時間が、１〜５時間である前記（２）記載の金属酸化物超微粒子の製造方法。
（４）亜鉛塩溶液の濃度が、０．０１〜０．５Ｍである前記（２）記載の金属酸化物超微粒子の製造方法。
（５）亜鉛塩溶液と触媒溶液を混合する温度が、−８０〜８０℃である前記（２）記載の金属酸化物超微粒子の製造方法。
（６）亜鉛塩溶液に触媒溶液を一息に流下して混合することを特徴とする前記（２）記載の金属酸化物超微粒子の製造方法。
（７）亜鉛塩として、亜鉛の硝酸塩、炭酸塩、又は酢酸塩を用いる前記（２）記載の金属酸化物超微粒子の製造方法。
（８）亜鉛塩を加水分解する際の触媒が、塩基触媒である前記（２）記載の金属酸化物超微粒子の製造方法。
（９）塩基触媒として、金属水酸化を用いる前記（１）又は（２）記載の金属酸化物超微粒子の製造方法。
（１０）前記（１）から（９）のいずれかに記載の方法で作製された、金属酸化物超微粒子からなることを特徴とする無機非線形光学材料。
【００１９】
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、前記の様に、金属塩を溶媒中で還流溶解し、同じく溶媒に溶かした酸あるいは塩基を触媒として、金属塩を加水分解し、酸化亜鉛超微粒子を得ることを特徴とするものである。これ以降、この方法を「加水分解法」と記す。本発明によって得られる酸化亜鉛超微粒子は、直径２〜５ｎｍの非常に微細なものである。得られた超微粒子は、その直径と可視紫外スペクトルから求められたバンドギャップエネルギーの関係から、量子サイズ効果が現れていることが確認され、３次非線形光学材料として用いることができるものである。
【００２０】
まず、酸化亜鉛超微粒子の合成法について説明する。本発明の酸化亜鉛超微粒子は、亜鉛の塩をアルコールなどの親水性有機溶媒に０．０１〜０．５Ｍの濃度で溶解し、５０〜１００℃の温度で１〜５時間還流する。触媒も亜鉛の塩と同じ溶媒に亜鉛塩に対して１〜２モル倍の量を溶解し、３０分間撹拌する。触媒としては、電気陰性度の大きい金属の水酸化物、例えば、ＬｉＯＨ、ＮａＯＨ、ＫＯＨ、ＲｂＯＨ、ＣｓＯＨが好適である。
【００２１】
次に、超微粒子を合成する方法について説明する。亜鉛塩溶液と触媒溶液を−８０〜８０℃の所定の温度に保つ。両者の温度が所定温度に安定した時点で、激しく撹拌している亜鉛塩溶液に触媒溶液を一息に流下し、酸化亜鉛超微粒子を生成させる。その後、３０分間撹拌を続ける。撹拌終了後、混合溶液を室温（２０℃）に戻す。ここで、オクタデシルアルコールを安定剤として０．０５ｇ添加する。
【００２２】
亜鉛塩としては、亜鉛の硝酸塩、炭酸塩、酢酸塩等を用いることができる。また、前記合成法のうち、亜鉛塩を加水分解する温度により、粒径を制御することができる。次に、亜鉛塩溶液に触媒溶液を添加する際には、緩やかに流下すると、粒径分布が広がってしまい、素子などに用いる場合には量子サイズ効果が十分作用しない。よって、触媒溶液は、必ず一息に流下しなければならない。
【００２３】
更に、亜鉛塩溶液を還流する時間の長さによって、加水分解後、生成したコロイドの安定性が変化する。望ましい還流時間は、２時間３０分〜３時間３０分である。より望ましくは３時間程度である。亜鉛塩溶液を３時間還流したものは、２０℃で６０日間放置してもやや白みがかった状態で、透明性を保っており、沈殿は全く生成していない。
【００２４】
本発明は、一見ゾルゲル法のようにも思われるが、実は全く異なる方法である。いわゆる「ゾルゲル法」で酸化亜鉛コロイドを生成させようとする場合、亜鉛のアルコキシドを用いる。金属アルコキシドは、水に対して非常に敏感で少量の水の添加で直ちに沈殿を生じてしまう。これを防止するために、不活性雰囲気においてキレート剤を添加し、亜鉛原子に配位させて安定性を付与し、キレートを徐々に加水分解させ、ゾルとする。また、「保護コロイド法」という超微粒子合成法もあるが、これは、金属イオンの溶液を還元剤共存下で加熱還流し、金属微粒子を沈殿させ、これに、ポリビニルアルコール等の水溶性高分子を添加すると金属微粒子が分散する。この方法は、金属超微粒子の合成に限られる。  
【００２５】
本発明では、安価で安定な亜鉛塩を原料としている。この塩の溶液は、安定であり、ゾルゲル法の様に不活性雰囲気を必要としない。ゾルゲル法では、部分的にキレート化されたアルコキシドを徐々に加水分解し、酸化亜鉛を生成するが、往々にして非晶質であることが多い。これは、アルコキシドが徐々に加水分解されＺｎ−Ｏ−Ｚｎ結合が生成するが、結合が生成しても安定相を得ることが困難であるためである。
【００２６】
本発明では、二つの溶液を混合すると直ちに酸化亜鉛の核が生成し、結晶質の酸化亜鉛が生成する。酸化亜鉛は、ウルツ鉱構造が安定相であるので、混合する温度が低温でも高温でもウルツ鉱構造を有した微粒子が生成される。
【００２７】
また、粒径を制御するために、温度を変化させる。低温で二液を混合すると、原料塩の濃度が過飽和になり、結晶核が多数できる。その結果、粒成長が抑制され、微細な粒子が生成する。混合温度が高いと、核の生成は低温よりも少なく、よって、粒成長が起こり、低温よりも大きな粒子が生成する。
【００２８】
このように、ゾルゲル法で徐々にＺｎ−Ｏ−Ｚｎ結合を生成しても結晶質酸化亜鉛は生成し得ない。二液混合法で、直ちに酸化亜鉛の核を迅速に生成することが、超微細結晶質酸化亜鉛粒子を得るのに重要である。本発明により、例えば、直径２．５〜４．０ｎｍに超微粒子化された酸化物超微粒子を作製することができる。
本発明の二液混合法による合成方法は、上記酸化亜鉛の超微粒子化に限らず、他の酸化物半導体の超微粒子化方法として同様に適用することが可能であり、例えば、Ｃｕ2 Ｏ、ＴｉＯ2 、ＳｎＯ2 、ＭｎＯ、Ｆｅ2 Ｏ3 、ＣｏＯ、ＮｉＯの超微粒子化に適用される。
【発明の効果】
【００２９】
本発明により、（１）酸化物半導体を超微粒子化することができる、（２）量子サイズ効果を有する酸化亜鉛超微粒子等の金属酸化物超微粒子を合成することができる、（３）この酸化亜鉛超微粒子等の金属酸化物超微粒子は、無機非線形光学材料として有用である、（４）本発明の二液混合法は、酸化物半導体を超微粒子化する方法として有用である、という格別の効果が奏される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明する。しかし、該実施例は、本発明の好適な一例を示すものであり、本発明は、該実施例により何ら限定されるものではない。
【実施例１】
【００３１】
（１）超微粒子の合成
酢酸亜鉛２水和物を０．１Ｍとなるように１２５ｍｌの特級エタノール中７５℃で２時間還流した。水酸化リチウム１水和物０．８３ｇを７５ｍｌの特級エタノールに撹拌溶解した。両者を所定の温度（−１５℃、４０℃）に保ち、液温が所定の温度になったのを確認後、水酸化リチウム溶液を酢酸亜鉛溶液に激しく撹拌しつつ一気に流下し３０分撹拌を続け、透明なコロイドを得た。
【００３２】
（２）結果
エタノール中に結晶質の酸化亜鉛が生成していることを確認するために、コロイドの溶媒をロータリーエバポレーターでエタノールを蒸発させると、フラスコ中に粉末が残った。これを粉末Ｘ線回折で観察すると、合成温度に関係なく、酸化亜鉛の回折パターンを示した。
【００３３】
次に、高分解能透過電子顕微鏡でコロイドを観察したところ、直径２〜３ｎｍの単結晶の微粒子が生成していることが認められた。そこで、コロイドの原液を光路長０．１ｎｍの石英セルで２００〜５００ｎｍの範囲の可視吸収スペクトルを測定した。その結果を図１に示す。−１５℃で合成した試料では、励起子による吸収ピークは３２０ｎｍ、４０℃で合成した試料では３３５ｎｍ付近に励起子の吸収ピークがある。これらの励起子ピークの位置は、バルクの３８８ｎｍから大幅に短波長側に移動しており、量子サイズ効果が現れていると予想される。
【００３４】
（３）解析
冒頭にも述べたように、バンドギャップ幅が広がり、超微粒子の半径とボーア半径の関係によって励起子閉じ込め効果あるいは電子・正孔対閉じ込め効果が生じる。励起子閉じ込めの場合、図２の直線に示すようなバンドギャップエネルギーと半径の−２乗の関係を示す。
【００３５】
−１５、４０℃で合成した粒子のデータを図２にプロットすると、ほぼ理論値に従った。よって、この酸化亜鉛超微粒子は、量子サイズ効果を示すものと結論づけられる。
【実施例２】
【００３６】
酢酸亜鉛２水和物を０．１Ｍとなるように６０ｍｌの特級エタノール中７５℃で３時間還流した。水酸化リチウム１水和物０．８３ｇを４０ｍｌの特級エタノールに撹拌溶解した。両者を水浴中４０℃に保ち、液温が４０℃になったのを確認後、水酸化リチウム溶液を酢酸亜鉛溶液に激しく撹拌しつつ一気に流下し、３０分撹拌を続け、透明なコロイドを得た。
【００３７】
このコロイドを四面研磨した石英セルに入れ、励起光波長を変化させながら蛍光スペクトルを測定した。図３に、その結果を示す。励起光が２５０ｎｍとなるあたりから５００〜６００ｎｍ近辺に蛍光が現れ始める。更に、励起波長を大きくしていくと、励起波長３５０ｎｍ付近で蛍光は最大となる。これは、酸化亜鉛のトラップ準位発光である。一方、酸化亜鉛のバンド端発光は３００ｎｍから３５０ｎｍに現れ始め、やはり励起光が３５０ｎｍ付近で最大となるが、その強度は、トラップ準位発光に比べると小さい。トラップ準位の発光は、かなり強い。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
以上詳述したように、本発明は、量子サイズ効果を有する酸化亜鉛超微粒子等の金属酸化物超微粒子の製造方法に係るものであり、本発明により、酸化亜鉛超微粒子等からなる優れた性能を有する無機非線形光学材料を提供することが可能となる。本発明は、酸化物半導体を超微粒子化することが可能な新しい二液混合法を提供するものとして有用である。本発明の方法により、例えば、超微細結晶酸化亜鉛粒子を合成し、提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】合成温度の異なる酸化亜鉛超微粒子の４００−２４０ｎｍにおける可視紫外スペクトルを示す。
【図２】−１５℃と４０℃での粒子径分布（ＴＥＭ写真から計測した）を示す。
【図３】酸化亜鉛超微粒子のＴＥＭ写真を示す。
【図４】バルク酸化亜鉛と超微粒子のエネルギー差と超微粒子の半径の−２乗の理論式から超微粒子中に励起子閉じ込め効果が現れていることを示す。
【図５】４０℃で合成した試料の励起波長に対する発光波長の関係を示す。
【図１】
2005255501.tif 000002
【図４】
2005255501.tif 000003
【図２】
2005255501.tif 000004
【図３】
2005255501.tif 000005
【図５】
2005255501.tif 000006