JP7485280B2 - Nanosheets and methods for producing nanosheets - Google Patents
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Description
特許法第30条第2項適用 ・発行者名 :公益社団法人 応用物理学会 刊行物名 :2020年 第67回応用物理学会春季学術講演会 [講演予稿集] 発行年月日:2020年(令和2年)2月28日Article 30, paragraph 2 of the Patent Act applies. Publisher: The Japan Society of Applied Physics Publication name: 67th Spring Meeting of the Japan Society of Applied Physics, 2020 [Proceedings of the 67th Meeting of the Japan Society of Applied Physics] Publication date: February 28, 2020 (Reiwa 2)
本発明は、ナノシートおよびナノシートの製造方法に関する。 The present invention relates to nanosheets and a method for producing nanosheets.
現在、工場等の廃熱を暖房などに再利用することが行われているが、電子デバイスが発する熱などの200℃以下の廃熱は、より高温の熱に比べて制御が難しいため、有効に利用できていないという問題がある。200℃以下の廃熱は、廃熱全体の大半を占めており、この廃熱を制御できれば、新たなエネルギー資源になる可能性がある。また、電子デバイスが発する熱は、電子デバイスの小型化や防水化などにより、電子デバイスの性能や寿命に与える影響が大きくなっており、性能の低下や寿命の短期化といった問題を引き起こしている。 Currently, waste heat from factories and other sources is reused for heating and other purposes, but waste heat below 200°C, such as that generated by electronic devices, is difficult to control compared to higher temperature heat, and so there is a problem in that it is not effectively utilized. Waste heat below 200°C accounts for the majority of all waste heat, and if this waste heat could be controlled, it could become a new energy resource. In addition, the impact of the heat generated by electronic devices on their performance and lifespan is increasing as electronic devices become smaller and more waterproof, causing problems such as reduced performance and shorter lifespans.
そこで、このような問題を解決するために、従来、MEMSを用いて、電子デバイス等が発する熱の流れを制御する熱機関(micro heat engine)が開発されている(例えば、非特許文献1参照)。 Therefore, in order to solve such problems, micro heat engines have been developed that use MEMS to control the flow of heat generated by electronic devices, etc. (see, for example, Non-Patent Document 1).
なお、本発明者等により、スピンによる熱伝導性を有する、いわゆるスピン熱伝導物質についての研究が進められている(例えば、非特許文献2または3参照)。スピン熱伝導物質は、隣り合うスピン同士が、超交換相互作用という、O2-を介した強い結合を有しており、これにより高熱伝導性を有している。また、スピン熱伝導物質は、正孔をドープすることにより、超交換相互作用が崩壊して、熱伝導率が小さくなるという特徴を有している。このため、スピン熱伝導物質は、電界効果による正孔ドープによって、熱流の方向や量を制御できると考えられる。 The present inventors have been conducting research on so-called spin thermal conductive materials that have thermal conductivity due to spin (see, for example, Non-Patent Documents 2 or 3). In spin thermal conductive materials, adjacent spins have a strong bond via O2- called superexchange interaction, which gives them high thermal conductivity. In addition, spin thermal conductive materials have the characteristic that the superexchange interaction is broken by doping with holes, and the thermal conductivity is reduced. For this reason, it is considered that the direction and amount of heat flow can be controlled by hole doping due to the electric field effect in spin thermal conductive materials.
このようなスピン熱伝導物質の一つに、図8に示すようなLa5Ca9Cu24O41がある。La5Ca9Cu24O41の結晶は、図8に示すように、CuO2層とCu2O3層とが、Ca、La層を介して、交互に積層した構造を有している。また、CuO2層は、CuとOとが鎖状に結合したチェーン層を成し、Cu2O3層は、CuとOとが梯子状に結合したラダー層を成している(例えば、非特許文献4参照)。固相反応法によって作製したLa5Ca9Cu24O41の結晶は、積層方向にマイクロメートルオーダーの厚みを有している。また、La5Ca9Cu24O41の結晶は、Cu2O3層のc軸方向にのみ超交換相互作用が働いており、これにより、常温で、c軸方向の熱伝導率が約100W/(m・K)であるのに対して、a軸方向およびb軸方向の熱伝導率は約2W/(m・K)と小さく、熱伝導異方性を有している。 One of such spin thermal conductive materials is La 5 Ca 9 Cu 24 O 41 as shown in FIG. 8. The crystal of La 5 Ca 9 Cu 24 O 41 has a structure in which CuO 2 layers and Cu 2 O 3 layers are alternately laminated with Ca and La layers interposed therebetween, as shown in FIG. 8. The CuO 2 layers form a chain layer in which Cu and O are bonded in a chain shape, and the Cu 2 O 3 layers form a ladder layer in which Cu and O are bonded in a ladder shape (for example, see Non-Patent Document 4). The crystal of La 5 Ca 9 Cu 24 O 41 produced by the solid-state reaction method has a thickness of the order of micrometers in the lamination direction. In addition, in the La5Ca9Cu24O41 crystal , superexchange interaction occurs only in the c - axis direction of the Cu2O3 layer. As a result, at room temperature, the thermal conductivity in the c-axis direction is approximately 100 W/(m·K), while the thermal conductivity in the a-axis and b-axis directions is small, approximately 2 W/(m·K), and the crystal has thermal conductivity anisotropy.
また、従来、グラファイトからグラフェンを剥離したり、層状物質から各層を剥離したりする方法として、スコッチテープ法やラビング法(Rubbing method)がある(例えば、非特許文献5参照)が、これらの方法では、薄層の大量生産は困難である。 Conventional methods for peeling graphene from graphite or peeling each layer from a layered material include the Scotch tape method and the rubbing method (see, for example, Non-Patent Document 5), but these methods make it difficult to mass-produce thin layers.
非特許文献1に記載のMEMSを用いた熱流を制御可能な熱機関では、駆動部などを収納するために比較的大きなスペースが必要であり、小型化が進んだ電子デバイス等に組み込むのは困難であるという課題があった。 The MEMS-based heat engine described in Non-Patent Document 1, which can control heat flow, requires a relatively large space to house the drive unit and other components, and has the problem that it is difficult to incorporate it into electronic devices that are becoming increasingly miniaturized.
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、小型化が進んだ電子デバイス等にも容易に組み込むことができ、熱流を制御可能なナノシートおよびナノシートの製造方法を提供することを目的とする。 The present invention was made with a focus on these issues, and aims to provide a nanosheet that can be easily incorporated into increasingly miniaturized electronic devices and that can control heat flow, as well as a method for producing the nanosheet.
上記目的を達成するために、本発明に係るナノシートは、CuとOとが鎖状に結合したチェーン層と、CuとOとが梯子状に結合したラダー層とを有する銅酸化物層を有し、前記チェーン層と前記ラダー層とが、中間層を介して交互に積層されており、厚みが100nm以下であることを特徴とする。 In order to achieve the above-mentioned object, the nanosheet of the present invention has a copper oxide layer having a chain layer in which Cu and O are bonded in a chain shape and a ladder layer in which Cu and O are bonded in a ladder shape, the chain layer and the ladder layer being alternately stacked with an intermediate layer interposed therebetween, and is characterized in that the nanosheet has a thickness of 100 nm or less.
本発明に係るナノシートは、厚みが100nm以下と薄いため、小型化が進んだ電子デバイス等にも容易に組み込むことができる。本発明に係るナノシートは、銅酸化物層が、CuとOとが鎖状および/または梯子状に結合して成るため、銅酸化物層の厚み方向の熱伝導率と表面に沿った方向の熱伝導率とが異なる熱伝導異方性を有すると共に、電界などにより、その熱伝導率を変化可能に構成することができる。これにより、銅酸化物層の熱伝導率を変化させて、銅酸化物層を流れる熱流を制御することができる。また、本発明に係るナノシートは、薄いため、電界などにより全体の熱伝導率を容易に制御することができる。 The nanosheet according to the present invention is thin, with a thickness of 100 nm or less, and can be easily incorporated into miniaturized electronic devices. The nanosheet according to the present invention has a copper oxide layer formed by bonding Cu and O in a chain and/or ladder shape, and therefore has thermal conductivity anisotropy in which the thermal conductivity in the thickness direction of the copper oxide layer is different from the thermal conductivity in the direction along the surface, and can be configured to change the thermal conductivity by applying an electric field or the like. This makes it possible to change the thermal conductivity of the copper oxide layer and control the heat flow through the copper oxide layer. Furthermore, since the nanosheet according to the present invention is thin, the overall thermal conductivity can be easily controlled by applying an electric field or the like.
本発明に係るナノシートは、CuとOとが鎖状に結合したチェーン層と、CuとOとが梯子状に結合したラダー層とを有し、前記チェーン層と前記ラダー層とが、中間層を介して交互に積層されているため、銅酸化物層であるチェーン層および/またはラダー層の熱伝導率を変化させて、熱流を制御することができる。 The nanosheet of the present invention has a chain layer in which Cu and O are bonded in a chain shape, and a ladder layer in which Cu and O are bonded in a ladder shape, and the chain layer and the ladder layer are alternately stacked with intermediate layers interposed therebetween, so that the thermal conductivity of the chain layer and/or the ladder layer, which are copper oxide layers, can be changed to control heat flow.
また、この場合、本発明に係るナノシートは、La5Ca9Cu24O41多結晶などのLaCaCuO系多結晶物質を原料物質として製造することができる。La5Ca9Cu24O41多結晶を原料物質としたときには、チェーン層はCuO2から成り、ラダー層はCu2O3から成り、中間層は、Caおよび/またはLaを有する層から成る。 In this case, the nanosheet according to the present invention can be manufactured using a LaCaCuO-based polycrystalline material such as polycrystalline La5Ca9Cu24O41 as a raw material. When polycrystalline La5Ca9Cu24O41 is used as a raw material, the chain layer is made of CuO2 , the ladder layer is made of Cu2O3 , and the intermediate layer is made of a layer containing Ca and/or La .
本発明に係るナノシートは、スピンによる熱伝導性を有し、前記銅酸化物層の表面に沿った方向の熱伝導率が、前記銅酸化物層の厚み方向の熱伝導率よりも大きい熱伝導異方性を有していることが好ましい。特に、電場を印加することにより、前記銅酸化物層の表面に沿った方向の熱伝導率を変化可能であることが好ましい。この場合、電場を印加すると、電界効果により正孔がドープされるため、熱伝導率が変化すると考えられる。電場で銅酸化物層の表面に沿った方向の熱伝導率を制御することにより、銅酸化物層を流れる熱流を容易に制御することができる。 The nanosheet according to the present invention preferably has thermal conductivity due to spin and has a thermal conductivity anisotropy in which the thermal conductivity in the direction along the surface of the copper oxide layer is greater than the thermal conductivity in the thickness direction of the copper oxide layer. In particular, it is preferable that the thermal conductivity in the direction along the surface of the copper oxide layer can be changed by applying an electric field. In this case, it is believed that the thermal conductivity changes when an electric field is applied because holes are doped due to the field effect. By controlling the thermal conductivity in the direction along the surface of the copper oxide layer with an electric field, the heat flow through the copper oxide layer can be easily controlled.
本発明に係るナノシートの製造方法は、本発明に係るナノシートを製造するナノシートの製造方法であって、CuとOとが鎖状に結合したチェーン層と、CuとOとが梯子状に結合したラダー層とを有する多結晶の原料物質の粉末を、水酸化物を溶かした水溶液に入れて撹拌することにより、前記チェーン層および/または前記ラダー層を有する前記ナノシートを得ることを特徴とする。
The nanosheet manufacturing method of the present invention is a nanosheet manufacturing method for producing the nanosheet of the present invention, and is characterized in that a powder of a polycrystalline raw material having a chain layer in which Cu and O are bonded in a chain shape and a ladder layer in which Cu and O are bonded in a ladder shape is added to an aqueous solution in which a hydroxide is dissolved and stirred to obtain the nanosheet having the chain layer and/or the ladder layer.
本発明に係るナノシートの製造方法は、本発明に係るナノシートを好適に製造することができる。本発明に係るナノシートの製造方法は、水溶液を利用した液相プロセスにより、低コストかつ容易にナノシートを製造することができる。 The nanosheet manufacturing method according to the present invention can suitably manufacture the nanosheet according to the present invention. The nanosheet manufacturing method according to the present invention can manufacture nanosheets easily and at low cost by a liquid phase process using an aqueous solution.
本発明に係るナノシートの製造方法で、前記原料物質は、前記チェーン層と前記ラダー層とを、中間層を介して交互に複数積層して成り、前記原料物質を入れた前記水溶液を撹拌することにより、前記中間層のうちの1または複数を、水酸化物イオンを含む化合物層に変化させ、その化合物層で剥離することにより前記ナノシートを得ることが好ましい。この場合、水酸化物イオンを含む化合物層により、チェーン層とラダー層との結合が不安定になるため、化合物層で剥離しやすい。このため、原料物質からチェーン層やラダー層を含むナノシートを容易に剥離することができる。 In the method for producing nanosheets according to the present invention, the raw material is preferably formed by alternately laminating the chain layers and the ladder layers with intermediate layers interposed therebetween, and one or more of the intermediate layers are converted into a compound layer containing hydroxide ions by stirring the aqueous solution containing the raw material, and the nanosheet is obtained by peeling at the compound layer. In this case, the bond between the chain layer and the ladder layer is destabilized by the compound layer containing hydroxide ions, so that peeling is easy at the compound layer. Therefore, nanosheets containing chain layers and ladder layers can be easily peeled off from the raw material.
本発明に係るナノシートの製造方法で、前記原料物質は、スピンによる熱伝導性を有していることが好ましい。この場合、熱伝導異方性を有するナノシートを容易に製造することができる。さらに、前記原料物質は、LaCaCuO系多結晶物質から成ることが好ましい。この場合、さらに、熱伝導率を変化可能なナノシートを容易に製造することができる。この場合、例えば、前記原料物質は、La5Ca9Cu24O41多結晶から成り、前記水酸化物は、前記原料物質を入れた前記水溶液を撹拌したとき、La3+およびCa2+との間でイオン交換可能なものから成っていてもよい。 In the method for producing a nanosheet according to the present invention, it is preferable that the raw material has thermal conductivity due to spin. In this case, a nanosheet having thermal conductivity anisotropy can be easily produced. Furthermore, it is preferable that the raw material is made of a LaCaCuO-based polycrystalline material. In this case, a nanosheet capable of changing thermal conductivity can be easily produced. In this case, for example, the raw material may be made of La 5 Ca 9 Cu 24 O 41 polycrystalline material, and the hydroxide may be made of a material capable of ion exchange between La 3+ and Ca 2+ when the aqueous solution containing the raw material is stirred.
本発明によれば、小型化が進んだ電子デバイス等にも容易に組み込むことができ、熱流を制御可能なナノシートおよびナノシートの製造方法を提供することができる。 The present invention provides a nanosheet that can be easily incorporated into miniaturized electronic devices and the like, and that can control heat flow, as well as a method for manufacturing the nanosheet.
以下、実施例等に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
図1乃至図7は、本発明の実施の形態のナノシートおよびナノシートの製造方法を示している。
本発明の実施の形態のナノシートは、本発明の実施の形態のナノシートの製造方法により、好適に製造される。
Hereinafter, the embodiment of the present invention will be described based on examples.
1 to 7 show a nanosheet and a method for producing a nanosheet according to an embodiment of the present invention.
The nanosheet of the embodiment of the present invention is suitably produced by the nanosheet production method of the embodiment of the present invention.
本発明の実施の形態のナノシートの製造方法は、まず、CuとOとが鎖状に結合したチェーン層と、CuとOとが梯子状に結合したラダー層とを有する多結晶の原料物質の粉末を、水酸化物を溶かした水溶液に入れる。ここで、原料物質は、La5Ca9Cu24O41多結晶などのLaCaCuO系多結晶物質であることが好ましい。また、この場合、水酸化物は、水酸化ナトリウムであることが好ましい。水酸化ナトリウムは、Na+の配位数6のときの有効イオン半径が、La3+およびCa2+と非常に近いため、水溶液中で、原料物質のLa+およびCa+とイオン交換されると考えられる。 In the method for producing a nanosheet according to the embodiment of the present invention, first, a powder of a polycrystalline raw material having a chain layer in which Cu and O are bonded in a chain shape and a ladder layer in which Cu and O are bonded in a ladder shape is placed in an aqueous solution in which a hydroxide is dissolved. Here, the raw material is preferably a LaCaCuO - based polycrystalline material such as La5Ca9Cu24O41 polycrystalline material. In addition, in this case, the hydroxide is preferably sodium hydroxide. Since the effective ionic radius of sodium hydroxide when the coordination number of Na + is 6 is very close to that of La3 + and Ca2 + , it is considered that sodium hydroxide is ion-exchanged with the La + and Ca + of the raw material in the aqueous solution.
次に、原料物質を入れた水溶液を所定時間撹拌した後、ろ過して、粉末状の物質を取り出す。取り出した物質を、100nm以下の厚さで薄く剥離することにより、チェーン層および/またはラダー層を有する本発明の実施の形態のナノシートを得ることができる。 Next, the aqueous solution containing the raw material is stirred for a predetermined time, and then filtered to extract the powdered material. The extracted material is thinly peeled off to a thickness of 100 nm or less to obtain a nanosheet according to an embodiment of the present invention having a chain layer and/or ladder layer.
原料物質として、La5Ca9Cu24O41多結晶を用い、水酸化物として、水酸化ナトリウムを用いて、本発明の実施の形態のナノシートの製造方法によりナノシートを製造した。原料物質のLa5Ca9Cu24O41多結晶は、固相反応法により製造した。La5Ca9Cu24O41多結晶は、図8に示すように、CuとOとが鎖状に結合したチェーン層のCuO2層と、CuとOとが梯子状に結合したラダー層のCu2O3層とが、Ca、La層を介して、交互に積層した構造を有している。また、スピンによる熱伝導性および熱伝導異方性も有している。 A nanosheet was produced by the nanosheet production method according to the embodiment of the present invention using La 5 Ca 9 Cu 24 O 41 polycrystal as the raw material and sodium hydroxide as the hydroxide. The raw material La 5 Ca 9 Cu 24 O 41 polycrystal was produced by a solid-phase reaction method. As shown in FIG. 8, the La 5 Ca 9 Cu 24 O 41 polycrystal has a structure in which a CuO 2 layer of a chain layer in which Cu and O are bonded in a chain shape and a Cu 2 O 3 layer of a ladder layer in which Cu and O are bonded in a ladder shape are alternately laminated through Ca and La layers. It also has thermal conductivity and thermal conduction anisotropy due to spin.
水酸化ナトリウムは、水溶液の濃度が5.0mol/リットルとなるよう調製した。また、撹拌には磁気撹拌器を用い、常温常圧で、300rpmで撹拌した。撹拌時間は、30分、60分、240分、または360分とした。 The sodium hydroxide was prepared so that the concentration of the aqueous solution was 5.0 mol/L. A magnetic stirrer was used for stirring at room temperature and pressure at 300 rpm. The stirring time was 30 minutes, 60 minutes, 240 minutes, or 360 minutes.
各撹拌時間で得られた物質をろ過した後、乾燥し、乳鉢で粉砕した。粉砕後の各試料に対して、各種の測定を行った。まず、各試料に対して、X線回折(XRD)による分析を行った。X線回折には、Bruker社製「D8 ADVANCE」を用い、線源をCu Kα (1.5416 Å)とし、θ-2θ法を用いた。また、測定範囲を2θ=10°~80°、時定数をt=0.5s、測定間隔を0.02°とし、無反射Siホルダーを用いた。各撹拌時間での試料のXRDスペクトルを、図1(a)に示す。また、360分撹拌の試料のXRDスペクトルを、原料物質のLa5Ca9Cu24O41多結晶のXRDスペクトルと並べて、図1(b)に示す。なお、図1(a)中の「LCCO」は、原料物質のLa5Ca9Cu24O41多結晶のピーク位置を示している。 The materials obtained at each mixing time were filtered, dried, and ground in a mortar. Various measurements were performed on each sample after grinding. First, each sample was analyzed by X-ray diffraction (XRD). For X-ray diffraction, a Bruker D8 ADVANCE was used, the radiation source was Cu Kα (1.5416 Å), and the θ-2θ method was used. The measurement range was 2θ = 10° to 80°, the time constant was t = 0.5 s, the measurement interval was 0.02°, and a non-reflective Si holder was used. The XRD spectrum of the sample at each mixing time is shown in Figure 1 (a). The XRD spectrum of the sample stirred for 360 minutes is shown in Figure 1 (b) alongside the XRD spectrum of the raw material La 5 Ca 9 Cu 24 O 41 polycrystal. In addition, "LCCO" in FIG. 1(a) indicates the peak position of the source material, La 5 Ca 9 Cu 24 O 41 polycrystal.
図1(a)および(b)に示すように、360分撹拌したものは、原料物質と比べて、La5Ca9Cu24O41のピークが小さくなると共に、Ca(OH)2やLa(OH)3、CuOのピークが現れていることが確認された。Ca(OH)2およびLa(OH)3ピークが現れていることから、Na+と、La3+およびCa2+とがイオン交換を行い、一部の中間層がCa(OH)2およびLa(OH)3の化合物層になっていると考えられる。また、CuOが現れていることから、一部のチェーン層のCuO2やラダー層のCu2O3が崩壊し、CuOになっていると考えられる。また、La5Ca9Cu24O41のピークが残っていることから、原料物質の反応しなかった部分が残存していると考えられる。なお、チェーン層のCuO2やラダー層のCu2O3は薄いため、XRDスペクトルには現れていない。 As shown in Figures 1 (a) and (b), it was confirmed that the La5Ca9Cu24O41 peak was smaller than that of the raw material, and peaks of Ca(OH) 2 , La(OH) 3 , and CuO appeared in the sample stirred for 360 minutes . Since the Ca(OH) 2 and La(OH) 3 peaks appeared, it is considered that Na + , La3 + , and Ca2 + performed ion exchange, and some of the intermediate layers became compound layers of Ca(OH) 2 and La(OH) 3 . In addition, since CuO appeared, it is considered that some of the CuO2 in the chain layer and the Cu2O3 in the ladder layer collapsed and became CuO. In addition, since the La5Ca9Cu24O41 peak remained , it is considered that the unreacted part of the raw material remained. In addition, since the CuO2 in the chain layer and the Cu2O3 in the ladder layer are thin, they do not appear in the XRD spectrum.
図1(a)に示すように、30分~240分撹拌したものは、Ca(OH)2やLa(OH)3、CuOのピークが現れているものの、La5Ca9Cu24O41のピークが大きいことが確認された。このことから、30分~240分の撹拌では、360分の撹拌ほど反応が進んでいないといえる。 1(a), in the case of stirring for 30 to 240 minutes , peaks of Ca(OH) 2 , La(OH) 3 , and CuO appeared, but it was confirmed that the peak of La5Ca9Cu24O41 was large. From this, it can be said that the reaction did not progress as much in the case of stirring for 30 to 240 minutes as in the case of stirring for 360 minutes.
360分撹拌の試料の透過型電子顕微鏡(TEM)像を、図2に示す。図2に示すように、約0.28nm周期の縞模様が確認された。この縞模様は、積層されたチェーン層、中間層、ラダー層の各層によるものと考えられる。この縞模様の部分の結晶構造のモデルを、図3に示す。図3に示すように、縞模様の部分は、チェーン層およびラダー層が、中間層を介して交互に積層したものであると考えられ、原料物質のLa5Ca9Cu24O41多結晶由来のものであると考えられる。 A transmission electron microscope (TEM) image of the sample stirred for 360 minutes is shown in FIG. 2. As shown in FIG. 2, a striped pattern with a period of about 0.28 nm was confirmed. This striped pattern is considered to be due to the stacked chain layers, intermediate layers, and ladder layers. A model of the crystal structure of this striped pattern part is shown in FIG. 3. As shown in FIG. 3, the striped pattern part is considered to be a stack of chain layers and ladder layers alternately stacked with intermediate layers interposed therebetween, and is considered to be derived from the La5Ca9Cu24O41 polycrystal of the raw material.
次に、360分撹拌の試料に対し、走査型プローブ顕微鏡(SPM)による表面形状測定を行った。SPMによる測定では、DFMモードを用い、操作範囲を20×20μm、データ数を256(X方向)×256(Y方向)とした。また、Si基板に試料を配置して、測定を行った。SPMによる表面形状の測定結果を図4に、図4中の2つの粒子の表面粗さ解析結果を図5に示す。 Next, the surface shape of the sample that had been stirred for 360 minutes was measured using a scanning probe microscope (SPM). The SPM measurement used DFM mode, with an operating range of 20 x 20 μm and data points of 256 (X direction) x 256 (Y direction). The sample was placed on a Si substrate and the measurement was performed. The results of the surface shape measurement using the SPM are shown in Figure 4, and the surface roughness analysis results of the two particles in Figure 4 are shown in Figure 5.
図4および図5に示すように、薄い形状の粒子が多く観察され、例えば、水平長さが1.1μm、厚さが2.7nmの粒子が確認された。この粒子は、台状のステップ構造を有していることから、薄いナノシートであると考えられる。図1~3と合わせて考えると、中間層から形成されたCa(OH)2およびLa(OH)3の化合物層により、チェーン層とラダー層との結合が不安定になったため、粉砕することにより、原料物質のLa5Ca9Cu24O41多結晶が化合物層で薄く剥離して、チェーン層やラダー層を含むナノシートが形成されたと考えられる。 As shown in Figures 4 and 5, many thin particles were observed, for example, particles with a horizontal length of 1.1 μm and a thickness of 2.7 nm were confirmed. Since this particle has a platform-like step structure, it is considered to be a thin nanosheet. Considering Figures 1 to 3 together, it is considered that the bond between the chain layer and the ladder layer became unstable due to the compound layer of Ca(OH) 2 and La(OH) 3 formed from the intermediate layer, and therefore, by crushing, the raw material La 5 Ca 9 Cu 24 O 41 polycrystal was thinly peeled off at the compound layer, forming a nanosheet including the chain layer and the ladder layer.
また、図4および図5に示すように、例えば、水平長さが660nm、厚さが317nmの粒子など、長さや厚さがサブマイクロメートル(数100nm以上)の粒子も確認された。この粒子は、原料物質のLa5Ca9Cu24O41多結晶が、100nm以下にまで薄くならなかったものであると考えられる。 4 and 5, particles with lengths and thicknesses of submicrometers (several hundreds of nm or more) were also confirmed, such as a particle with a horizontal length of 660 nm and a thickness of 317 nm. These particles are considered to be the result of the raw material La5Ca9Cu24O41 polycrystal not being thinned to 100 nm or less.
次に、360分撹拌の試料に対し、透過型電子顕微鏡(TEM)観察を行った。TEM観察では、加速電圧を200kVとし、Niホルダーを用いた。TEMによる観察結果を、図6に示す。図6に示すように、粒子の端縁部が曲がって巻いている様子が確認された(図中の拡大図参照)。この粒子は、非常に薄いために端縁部が巻いていると考えられる。図1~5と合わせて考えると、この粒子も、粉砕することにより、La5Ca9Cu24O41多結晶が薄く剥離して形成されたナノシートであると考えられる。 Next, the sample stirred for 360 minutes was observed with a transmission electron microscope (TEM). In the TEM observation, an accelerating voltage of 200 kV was used, and a Ni holder was used. The results of the observation using the TEM are shown in FIG. 6. As shown in FIG. 6, it was confirmed that the edges of the particles were bent and rolled (see the enlarged view in the figure). It is believed that the edges of these particles are rolled because they are very thin. Considering this together with FIGS. 1 to 5, it is believed that these particles are also nanosheets formed by thinly peeling off La 5 Ca 9 Cu 24 O 41 polycrystals by pulverization.
XRD分析や他の測定結果から考えられる、ナノシートの形成過程や得られた物質の構造を、図7に示す。図7(a)に示すように、原料物質のLa5Ca9Cu24O41多結晶(厚み:1μm以上)は、チェーン層に対応するCuO2面と、ラダー層に対応するCu2O3面と、La、Ca層に対応するLa/Ca面とを有している。これを水酸化ナトリウム水溶液中で撹拌すると、図7(b)に示すように、NaOHが一部の層に侵入し、Na+と、La3+およびCa2+とのイオン交換が進行する。これにより、図7(c)に示すように、チェーン層のCuO2層やラダー層のCu2O3層、Ca、La層を含むナノシート(例えば、厚み:10nm以下)や、Ca(OH)2およびLa(OH)3の化合物層、CuO層が形成されたものと考えられる。また、原料物質が残存したLa5Ca9Cu24O41結晶も存在しており、薄くなっている(例えば、厚み:数10nm~100nm以下)と考えられる。なお、形成されたナノシートは、薄いため、XRDスペクトルには現れていない(図1参照)。また、原料物質が残存したLa5Ca9Cu24O41結晶は、粒径が小さいため、XRDスペクトルではブロードなピークになっている(図1参照)。 The formation process of the nanosheet and the structure of the obtained material, which can be considered from the XRD analysis and other measurement results, are shown in FIG. 7. As shown in FIG. 7(a), the raw material La 5 Ca 9 Cu 24 O 41 polycrystal (thickness: 1 μm or more) has a CuO 2 surface corresponding to the chain layer, a Cu 2 O 3 surface corresponding to the ladder layer, and a La/Ca surface corresponding to the La and Ca layers. When this is stirred in an aqueous sodium hydroxide solution, as shown in FIG. 7(b), NaOH penetrates into some layers, and ion exchange between Na + and La 3+ and Ca 2+ progresses. As a result, as shown in FIG. 7(c), it is considered that a nanosheet (for example, thickness: 10 nm or less) including a CuO 2 layer of the chain layer, a Cu 2 O 3 layer of the ladder layer, a Ca and La layer, a compound layer of Ca(OH) 2 and La(OH) 3 , and a CuO layer are formed. It is also believed that La 5 Ca 9 Cu 24 O 41 crystals containing remaining raw materials are also present and are thin (e.g., thickness: several tens of nm to 100 nm or less). The nanosheets formed are thin and do not appear in the XRD spectrum (see FIG. 1). The La 5 Ca 9 Cu 24 O 41 crystals containing remaining raw materials have a broad peak in the XRD spectrum (see FIG. 1) because of their small particle size.
以上の各種の測定結果から、360分以上撹拌することにより、チェーン層やラダー層を有するナノシートを得ることができるといえる。なお、得られたナノシートは、スピンによる熱伝導性および熱伝導異方性を有するLa5Ca9Cu24O41多結晶を薄く剥離したものから成り、チェーン層やラダー層の銅酸化物層を有しているため、電界効果による正孔ドープにより、銅酸化物層の表面に沿った方向の熱伝導率を変化させて、銅酸化物層を流れる熱流を容易に制御可能であると考えられる。また、薄いため、電界などにより全体の熱伝導率を容易に制御可能であると考えられる。また、得られたナノシートは、厚みが100nm以下と薄いため、小型化が進んだ電子デバイス等にも容易に組み込むことができる。 From the above various measurement results, it can be said that nanosheets having chain layers and ladder layers can be obtained by stirring for 360 minutes or more. The obtained nanosheets are made of thinly peeled La 5 Ca 9 Cu 24 O 41 polycrystals having thermal conductivity and thermal conductivity anisotropy due to spin, and have copper oxide layers of chain layers and ladder layers, so it is considered that the thermal conductivity in the direction along the surface of the copper oxide layer can be changed by hole doping due to the field effect, and the heat flow flowing through the copper oxide layer can be easily controlled. In addition, since it is thin, it is considered that the overall thermal conductivity can be easily controlled by an electric field, etc. In addition, since the obtained nanosheets are thin, with a thickness of 100 nm or less, they can be easily incorporated into electronic devices with advanced miniaturization.
以上の実施例に示すように、本発明の実施の形態のナノシートの製造方法によれば、チェーン層とラダー層とが、中間層を介して交互に積層された、本発明の実施の形態のナノシートを製造することができる。本発明の実施の形態のナノシートの製造方法は、水溶液を利用した液相プロセスにより、低コストかつ容易にナノシートを製造することができる。 As shown in the above examples, the nanosheet manufacturing method according to the embodiment of the present invention can produce a nanosheet in which chain layers and ladder layers are alternately stacked with intermediate layers interposed therebetween. The nanosheet manufacturing method according to the embodiment of the present invention can produce nanosheets easily and at low cost by using a liquid phase process that uses an aqueous solution.
本発明の実施の形態のナノシートの製造方法は、水酸化物イオンを含む化合物層を形成し、その化合物層でチェーン層とラダー層との結合を不安定にすることにより、原料物質からチェーン層やラダー層を含むナノシートを容易に剥離することができる。このため、従来のスコッチテープ法やラビング法と比べて、一度に大量のナノシートを生産することができる。 The nanosheet manufacturing method according to the embodiment of the present invention forms a compound layer containing hydroxide ions, and destabilizes the bonds between the chain layer and ladder layer with the compound layer, making it possible to easily peel off the nanosheet containing the chain layer and ladder layer from the raw material. This makes it possible to produce a large amount of nanosheets at once, compared to the conventional Scotch tape method or rubbing method.
本発明の実施の形態のナノシートの製造方法は、中間層の反応を進めて、水酸化物イオンを含む化合物層にする割合を高めることにより、より薄いナノシートを形成することができる。このため、例えば、1層のチェーン層のみから成るナノシートや、1層のラダー層のみから成るナノシートも形成することができる。
The nanosheet manufacturing method according to the embodiment of the present invention can form a thinner nanosheet by promoting the reaction of the intermediate layer to increase the proportion of the compound layer containing hydroxide ions, and therefore can form, for example, a nanosheet consisting of only one chain layer or a nanosheet consisting of only one ladder layer.
Claims (9)
CuとOとが鎖状に結合したチェーン層と、CuとOとが梯子状に結合したラダー層とを有する多結晶の原料物質の粉末を、水酸化物を溶かした水溶液に入れて撹拌することにより、前記チェーン層および/または前記ラダー層を有する前記ナノシートを得ることを特徴とするナノシートの製造方法。 A method for producing the nanosheet according to any one of claims 1 to 4, comprising the steps of:
A method for producing a nanosheet, characterized in that a powder of a polycrystalline raw material having a chain layer in which Cu and O are bonded in a chain shape and a ladder layer in which Cu and O are bonded in a ladder shape is placed in an aqueous solution in which a hydroxide is dissolved, and stirred to obtain the nanosheet having the chain layer and/or the ladder layer.
前記原料物質を入れた前記水溶液を撹拌することにより、前記中間層のうちの1または複数を、水酸化物イオンを含む化合物層に変化させ、その化合物層で剥離することにより前記ナノシートを得ることを
特徴とする請求項5記載のナノシートの製造方法。 The raw material is formed by laminating the chain layers and the ladder layers alternately with an intermediate layer interposed therebetween,
The method for producing a nanosheet according to claim 5, characterized in that one or more of the intermediate layers are converted into a compound layer containing hydroxide ions by stirring the aqueous solution containing the raw materials, and the nanosheet is obtained by peeling off the compound layer.
前記水酸化物は、前記原料物質を入れた前記水溶液を撹拌したとき、La3+およびCa2+との間でイオン交換可能なものから成ることを
特徴とする請求項5乃至8のいずれか1項に記載のナノシートの製造方法。 The source material is made of polycrystalline La5Ca9Cu24O41 ;
The method for producing a nanosheet according to any one of claims 5 to 8, characterized in that the hydroxide is capable of ion exchange with La3 + and Ca2 + when the aqueous solution containing the raw materials is stirred.
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| FURUBAYASHI, Y. et al.,Epitaxial growth of single-crystalline thin film of Ca14Cu24O41: A heavy hole-doped two-legged spin ladder,Physical Review B,1999年,60, (6),R3720-R3723 |
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