(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
疎水性基板の上にナノメータサイズのポリエチレンのドットが規則的に配列して付着している複合体を製造する方法であって、ポリエチレンからなる板をポリエチレンの融点または融点よりも十数度以内の低い温度に保持した疎水性基板の表面上に擦りつけることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種の機能素子や材料として応用され得る、配向高分子表面を有する複合体とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
無機質の基板上に高度に配向（配列）した高分子（ポリマー）が付着した複合体は、その配向形状（構造）に因るユニークな性状の発現が期待されるので、新しい機能素子や材料の開発に資することができるものと考えられる。
【０００３】
例えば、シリコンの表面にナノメータのオーダで非連続且つ規則的に配列させた高分子をマトリックスとして付着させ、該マトリックスにゲルマニウムなどの金属を導入することにより、新しいタイプの半導体材料が得られるものと期待される。また、ナノメータのサイズで規則的に高分子を配列させることにより、光の干渉や回折に基づく光学素子の開発が可能となるであろう。
【０００４】
しかしながら、基板上にポリマーを配向させる従来の試みは、専ら、基板上に高分子の連続的な膜を形成させることに向けられていた。例えば、Wittman, J. C.他による"Highly oriented thin films of poly(tetrafluoroethylene) as a substrate for oriented growth of materials" 「Nature  1991, 352 , 414-417 」に記載されている方法では、テフロンを、ガラス転移温度近傍に保持したガラス基板表面に擦りつけることで、分子鎖が擦り方向に高配向したテフロン皮膜を作製している。得られたポリマー皮膜は、厚さ２〜１００ｎｍ程度であるが、連続した薄膜となっている。この方法はテフロンでのみ報告されていて、また、この手法では非連続な皮膜は形成できない。
【０００５】
Karthaus, O.他による"Ordered self-assembly of nanosize polystyrene aggregates on mica"「Chem. Lett. 1996, 821 」には、雲母の表面を、ポリスチレンの希薄ベンゼン溶液でリンスすることにより、直径数百ナノメータ、厚さ十数ナノメータのポリマー会合体が規則的に配列したことが報告されている。結果として得られるポリマーの配向形状は、非連続なものであるが、親水性表面（雲母）にポリマーを付着させており、シリコンのような疎水性の表面にポリマーを配向させるものではない。すなわち、この論文に記載された手法は、ポリマー溶液を蒸発、乾燥させ、この際、疎水性ポリスチレンが親水性雲母から撥水することによりポリマーの該配向形状が得られるとしており、したがって、リンスに関する適切な条件を満たし、かつ、ポリマーを溶かす有機溶媒が必要不可欠であり、そのような溶媒がない場合、この手法は使えない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、基板、特に半導体材料等の用途にも適用可能なシリコンのような疎水性基板上に、従来から見られるような連続的な薄膜形状ではなく、高分子が規則的且つ非連続的に配列された複合体を提供すること、および該複合体を溶媒などを必要とすることなく簡単な方法で製造することのできる方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、高分子をその融点近傍の温度において疎水性基板に擦りつけることにより非連続的な高分子のドットが形成されることを見出し、本発明を導き出した。
【０００８】
すなわち、本発明に従えば、先ず、疎水性基板上に、ナノメータサイズの高分子のドットが規則的に配列して付着していることを特徴とする複合体が提供される。本発明の複合体の好ましい態様として、疎水性基板はシリコンである。
さらに、本発明に従えば、そのようなナノサイズの高分子ドットを有する複合体を製造する方法であって、高分子を該高分子の融点または融点よりも僅かに低い温度に保持した疎水性基板の表面上に擦りつけることを特徴とする方法が提供される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の複合体におけるナノメータサイズの高分子のドットとは、円形ディスク状で、一般に、その厚さは５〜５０ｎｍ（特に１０〜３０ｎｍ）程度、直径は５０〜１０００ｎｍ（特に１００〜３００ｎｍ）程度で、直径の数倍程度の間隔で並んでいるものを指称する。
【００１０】
本発明に従えば、基板の表面温度を高分子の融点を超えない近傍の温度に加熱して高分子を擦りつけるだけの簡単な操作により、そのような高分子のドットが形成される。融点以上ではべっとりと付着するのみであり、また、融点よりもあまり低すぎると高分子の付着は生じない。
【００１１】
このように本発明に従い規則的に配列されたナノメータサイズの高分子のドットが形成され基板表面に付着する機構の詳細は分かっていないが、基板表面のごく近傍における高分子の融解層の漏れと付着性、および粘弾性を含めた流動性が重要な役割を果たしているものと推測され、このため、実際の操作に当たっては高分子の種類に応じて、基板温度および擦りつけ（ラビング）の速度と圧力をコントロールすることが重要である。
【００１２】
すなわち、基板温度を高分子の融点に加熱することにより高分子が融解し、また、融点以下でも、基板表面においては僅かな量の高分子が摩擦により融解している。ラビング速度が遅いと、摩擦熱が生じないので融解が起こりにくくなり、もし融解したとしても、表面張力と十分な接触時間のため、融解した高分子は高分子母体に再び吸収され表面に移動しない。速度が速くなるにつれ摩擦のために融解が盛んになり、一度表面に付着した塊は母体に戻る前に切り離され、基板表面に残存できる。さらに、速度が増すと、接触時間が低下し、付着量が激減する。
【００１３】
このように高分子ドットを形成させ基板表面に付着させるための好適な条件は、予備的な実験により簡単に見出すことができる。１例として、ポリエチレンの場合、融点よりも十数度以内の温度に基板を加熱し、０．２〜０．４ＭＰａ程度の圧力下に２０〜３０ｍｍ／秒程度の速度で軽く擦りつける（ラビングする）のが好適である。
【００１４】
本発明の方法は、融解により液状を呈し、射出成形することができるような高分子一般に適用することができ、そのような高分子のナノサイズのドットが基板に付着した複合体を得ることができる。本発明が適用される高分子の例としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレンなどを挙げることができる。この点、前記Wittman らの方法において使用されているテフロンのように融解したときの融解物が極めて高粘性を呈するような高分子は本発明に適していない。
【００１５】
また、本発明に従えば、疎水性基板の表面にナノメータサイズの高分子ドットを規則的に配列させることができる。この点において、前記Karthausらによって記載された親水性表面にポリマーを付着させる方法とは相違しており、さらに、ポリマーを溶かす有機溶媒も必要としない。本発明に従いナノメータサイズの高分子ドットが規則的に配列して付着するための基板の表面は、疎水性であるとともに、該基盤表面がナノメータオーダの平滑性（平坦さ）を有するものでなければならない。この点から、本発明に使用されるのに好適な疎水性基板はシリコンであるが、この他に、金などを用いることもできる。
【００１６】
本発明者が見出したところによれば、ポリエチレンの場合、疎水性基板には付着するが、親水性基板には付着しなかった。この点からも、高分子が基板表面に移されるには、高分子は基板表面を濡らす性質が必要であるが、付着力が強すぎると規則性のない自然付着となるので、濡れと付着力のバランスが必要と推測される。
【００１７】
本発明に従い、基板表面に高分子を擦りつける（ラビングする）には、一般に、加熱した板状の基板の表面に接触させながら、一定速度、一定圧力で薄板状の高分子を移動させるが、別の方法として、２本の高分子ロッドの間に基板を通すことにより高分子が基板に擦りつけられるようにすることもできる。この後者の方法は高分子と基板の接触が均一となる利点がある。
【００１８】
【実施例】
以下に、本発明の特徴をさらに明らかにするため実施例を示すが、本発明はこの実施例によって制限されるものではない。
実施例
ホットプレートに載置して１２０℃に熱した１０×２０ｍｍの表面の凹凸が数ナノメータ以下の平坦な自然酸化膜で覆われたシリコン基板表面上を、８×０．５ｍｍの接触面積を持つ高密度ポリエチレン板（融点１３１℃）で薄い方の軸に平行に、圧力を０．３ＭＰａに保持しながら、毎秒２０ｍｍで擦りつけた。この結果、図１に示すように、厚さ十数ナノメータ、直径数百ナノメータ程度の高分子ドットが規則的に配列したことが、原子間力顕微鏡像により確認された。同様の配列は基板温度１３０℃でも得られたが、融点以上では多量のポリエチレンがべっとりと厚さ数ミリメータに配列を伴わず付着し、基板温度１１５℃では厚さナノメータであるが配列を伴わず付着し、基板温度１１０℃ではポリエチレンは基板に全く付着しなかった。
【００１９】
【発明の効果】
本発明の方法に従えば、高分子を溶かすための有機溶媒を必要とするようなこともなく、簡単な擦りつけ操作により、疎水性基板上に高分子の非連続的なドットがナノメータのサイズで規則的に配列した複合体を得ることができる。
【００２０】
本発明の複合体は、ナノメータのオーダーの規則的な高分子のドット配列を有しているので、光の回折や干渉を利用する光学素子などの機能素子に応用できるものと期待される。さらに、本発明の複合体は、ナノメータサイズのドット状高分子をマトリックスとして、他の材料を該高分子と混合してドット状に配列することにより各種の機能材料の開発に寄与するものと考えられる。例えば、光の照射により変化する（例えば、異性化反応を起こす）ような色素を高分子ドットに混入して、光の刺激に応じて情報を記録するメモリー材料、あるいは、電気的特性を有する物質が導入された高分子ドットがシリコン基板でサンドイッチされたような構造の半導体材料などが考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の複合体の１例の粒子構造を示す原子間力顕微鏡写真である。
【図１】
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