JP4849375B2 - Fine particle array thin film, method for manufacturing the same, and fine particle array thin film manufacturing apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、微粒子配列体薄膜及びその製造方法、並びに、微粒子配列体薄膜製造装置に関し、さらに詳しくは、単分散微粒子が3次元的に規則配列した微粒子配列体薄膜及びその製造方法、並びに、このような微粒子配列体薄膜を製造するための微粒子配列体薄膜製造装置に関する。 The present invention relates to a fine particle array thin film and a method for manufacturing the same, and a fine particle array thin film manufacturing apparatus. More specifically, the present invention relates to a fine particle array thin film in which monodisperse fine particles are regularly arranged three-dimensionally, a method for manufacturing the same. The present invention relates to a fine particle array thin film manufacturing apparatus for manufacturing such a fine particle array thin film.
直径50nm〜1μm程度の単分散微粒子(コロイド粒子)が3次元的に規則配列した構造体は、原子・分子が3次元的に規則配列した結晶になぞらえて「コロイド結晶」と呼ばれている。コロイド結晶には、液中で微粒子が規則的に配列し、微粒子同士が接触していないものと、微粒子同士が接触しているものとがある。後者は、特に、「人工オパール」とも呼ばれている。
また、コロイド結晶を鋳型として、その空隙に別の物質を埋め込み、微粒子を除去すると、微粒子の大きさに相当する空孔が3次元的に規則配列した構造体が得られる。このような構造体は、一般に、「逆オパール」と呼ばれている。
A structure in which monodispersed fine particles (colloidal particles) having a diameter of about 50 nm to 1 μm are regularly arranged in a three-dimensional manner is called a “colloidal crystal” compared with a crystal in which atoms and molecules are regularly arranged in a three-dimensional manner. There are colloidal crystals in which fine particles are regularly arranged in a liquid and the fine particles are not in contact with each other and in which the fine particles are in contact with each other. The latter is particularly called “artificial opal”.
Further, when a colloidal crystal is used as a template and another substance is embedded in the void and the fine particles are removed, a structure in which pores corresponding to the size of the fine particles are regularly arranged in three dimensions is obtained. Such a structure is generally called “inverse opal”.
コロイド結晶は、光の波長程度の長さの周期性を有していることから、特定の波長の光をブラッグ反射するという性質を持つ。そのため、コロイド結晶は、ナローバンドフィルタなどの光学素子やセンサーへの応用が期待されている。また、コロイド結晶を鋳型として作られる逆オパールは、高効率の光伝送路あるいは高効率の発光素子としての応用が期待されているフォトニック結晶の候補材料の1つと考えられている。 Since the colloidal crystal has a periodicity as long as the wavelength of light, it has the property of Bragg-reflecting light of a specific wavelength. For this reason, colloidal crystals are expected to be applied to optical elements and sensors such as narrow band filters. Inverse opal produced using colloidal crystals as a template is considered to be one of candidate materials for photonic crystals that are expected to be applied as high-efficiency optical transmission lines or high-efficiency light-emitting elements.
適当な分散媒中に分散させた微粒子間に働く相互作用は、微粒子表面の電位分布によって生じる静電的な反発力と、ファンデルワールス力による引力の和によって表される。従って、分散媒中に分散させ微粒子を規則配列させるためには、微粒子間に働く静電力をうまく制御する必要がある。微粒子を規則配列させ、コロイド結晶を得るための方法としては、具体的には、以下のような方法が知られている。 The interaction acting between the fine particles dispersed in an appropriate dispersion medium is represented by the sum of the electrostatic repulsive force generated by the electric potential distribution on the fine particle surface and the attractive force due to the van der Waals force. Therefore, in order to disperse the particles in the dispersion medium and to regularly arrange the fine particles, the electrostatic force acting between the fine particles needs to be well controlled. As a method for obtaining a colloidal crystal by regularly arranging fine particles, the following methods are specifically known.
例えば、特許文献1には、内側にくぼみを有し、かつ、くぼみの内面が互いに平面かつ平行になっている2枚の板を重ね合わせてセルとし、セルのくぼみ内にポリスチレン球を分散させた水溶液を注入し、セルを密封して室温に放置することにより得られるフィルターデバイスが開示されている。同文献には、セルの温度及び/又はセルに印加する外部電場を制御することによりコロイド結晶の格子定数が変わり、これによってブラッグ反射させる波長を可変できる点、及び、ポリスチレン球の濃度が高くなるほどコロイド結晶の格子定数が小さくなる点が記載されている。
For example,
また、非特許文献1には、コロイド溶液に親水性ガラス基板を垂直に浸漬し、一定速度でガラス基板を引き上げるコロイド結晶の製造方法が開示されている。同文献には、コロイド溶液中の粒子濃度及び/又は引き上げ速度を制御することにより、膜厚を制御できる点、及び、このような方法により得られたコロイド結晶には、10μm〜100μmの間隔でクラックが発生している点が記載されている。
Non-Patent
また、特許文献2には、平板状の上部支持体と、その表面に所定の凹凸パターンを形成した下部支持体の周囲にスペーサを入れ、その一端に開口部を形成した容器、及び、この容器の開口部を上部にして斜めに保持し、開口部からコロイド溶液を注入し、開口部から溶媒成分を蒸発させる人工結晶体の製造方法が開示されている。同文献には、
(1)開口部からコロイド溶液を注入すると、上部支持体の内面と下部支持体の凸部との間の隙間にコロイド溶液が毛細管現象により浸透し、
(2)この状態で数時間経過すると、微粒子が重力の作用を受けて下方に沈降し、下部にコロイド結晶が生成し、さらに、
(3)開口部から溶媒成分がゆっくりと蒸発し、コロイド結晶を破壊することなく溶媒成分を完全に蒸発させることができる点、が記載されている。
Patent Document 2 discloses a container in which a spacer is provided around a flat upper support, a lower support having a predetermined uneven pattern formed on the surface thereof, and an opening is formed at one end thereof, and the container. A method for producing an artificial crystal is disclosed in which an opening is held obliquely, a colloidal solution is injected from the opening, and a solvent component is evaporated from the opening. In the same document,
(1) When the colloid solution is injected from the opening, the colloid solution penetrates into the gap between the inner surface of the upper support and the convex portion of the lower support by capillary action,
(2) After several hours in this state, the fine particles settle down under the action of gravity, colloidal crystals are formed at the bottom,
(3) It is described that the solvent component slowly evaporates from the opening, and the solvent component can be completely evaporated without destroying the colloidal crystal.
また、特許文献3には、少なくとも上下方向に開口部を有するように2枚の支持体によって形成された空隙を持つギャップモジュールをコロイド溶液中に浸漬し、ギャップモジュールを上方に引き上げる人工結晶体の製造方法が開示されている。同文献には、コロイダルシリカ溶液にギャップモジュールを浸漬し、毎秒1μmの引き上げ速度でギャップモジュールを引き上げ、12時間乾燥させることにより、シリカ粒子が面心立方構造で規則正しく配列した人工結晶体が得られる点が記載されている。
さらに、非特許文献2には、2枚のガラス基板の間に、矩形のガスケット(内部をくりぬいた樹脂フィルム)をはさみ、上部ガラス板の中央に注入管を設けたパッキングセル、及び、このパッキングセルの注入管からコロイド溶液を注入し、パッキングセルに超音波振動を加えるコロイド結晶の製造方法が開示されている。同文献には、種々の方法を用いて樹脂フィルムとガラス基板の間にコロイド粒子の直径より狭い溝を形成し、パッキングセルに超音波振動を加えると、溝から溶媒が流れ出し、ガラス基板の間にコロイド結晶を形成することができる点、及び、乾燥によってコロイド結晶にクラックが発生し、100×100μm2程度のドメインに分割される点が記載されている。 Further, in Non-Patent Document 2, a packing cell in which a rectangular gasket (resin film hollowed out inside) is sandwiched between two glass substrates and an injection tube is provided in the center of the upper glass plate, and this packing A method for producing a colloidal crystal in which a colloidal solution is injected from a cell injection tube and ultrasonic vibration is applied to the packing cell is disclosed. In this document, various methods are used to form a groove narrower than the diameter of the colloidal particles between the resin film and the glass substrate, and when ultrasonic vibration is applied to the packing cell, the solvent flows out of the groove, and between the glass substrates. Describes that a colloidal crystal can be formed, and that a crack is generated in the colloidal crystal by drying and is divided into domains of about 100 × 100 μm 2 .
特許文献1に開示されているフィルタデバイスは、優れた光フィルタ特性を示す。しかしながら、これは液中での規則配列構造であるため、液体の封止が不完全であると液の蒸発が生じ、フィルタ特性が変化するという欠点がある。また、セルに対して強い衝撃が加わると、液中で形成されたコロイド結晶の構造が容易に壊れるという欠点がある。
The filter device disclosed in
また、非特許文献1に開示されている引き上げ法は、微粒子分散液に、微粒子に対して親和性の良い基板を垂直に(斜めでも良い)差し込んだ後、この基板をゆっくり引き上げていき、適量の微粒子分散液を基板表面に移し取り、その後、移し取られた微粒子分散液から分散媒が蒸発していく過程で微粒子を自己秩序化させる方法である。この方法は、引き上げ方向が一方向であるので、得られた膜の結晶方位も比較的揃い、単結晶状態に近い規則配列体薄膜を得ることができるとされている。
Further, the pulling method disclosed in
しかしながら、微粒子を分散させた微粒子溶液を放置すると、分散液中の微粒子が徐々に沈降する。そのため、引き上げ法により規則配列体薄膜を作製する場合において、分散液中に含まれる微粒子の粒径が大きくなるほど(>400nm)、引き上げ中に微粒子が沈降しやすくなり、均一な膜厚を有する微粒子配列体薄膜の作製が困難となる。
また、引き上げ法は、ビーカーなどの容器に基板を浸漬させて配列体薄膜を形成させる方法であるので、基板の大きさにもよるが、最低でも数十mlの分散液を必要とするのが一般的である。また、浸漬した基板を0.1μm/sec〜10μm/secの低速で引き上げる必要があり、コンピュータ制御などの複雑な装置が必要である。
However, if the fine particle solution in which the fine particles are dispersed is allowed to stand, the fine particles in the dispersion gradually settle. Therefore, in the case of preparing a regular array thin film by the pulling method, the larger the particle size of the fine particles contained in the dispersion (> 400 nm), the easier the fine particles settle during the pulling, and the fine particles having a uniform film thickness. Fabrication of the arrayed thin film becomes difficult.
The pulling method is a method of forming an arrayed thin film by immersing the substrate in a container such as a beaker. Therefore, although it depends on the size of the substrate, it requires at least several tens of ml of dispersion. It is common. Moreover, it is necessary to pull up the immersed substrate at a low speed of 0.1 μm / sec to 10 μm / sec, and a complicated apparatus such as computer control is required.
さらに、引き上げ中に分散媒が徐々に蒸発するために、配列体膜形成初期と後期では、分散液の濃度が変化し、膜厚が変化する。この膜厚不均一性は、膜形成初期と後期で引き上げ速度を変えるなどで制御可能であるが、プロセスがさらに複雑となる。また、基板、分散液と気相との界面(メニスカス)の形状により結晶方位がずれ、基板面全体に単結晶面を得ることが困難であること、このメニスカス付近で分散液の乾燥が急激に起きるためにクラックが発生しやすいこと、などの問題点もある。 Furthermore, since the dispersion medium gradually evaporates during the pulling up, the concentration of the dispersion changes and the film thickness changes in the early and late stages of the formation of the array film. This film thickness non-uniformity can be controlled by changing the pulling speed between the initial stage and the later stage of film formation, but the process becomes more complicated. In addition, the crystal orientation shifts due to the shape of the interface between the substrate and the dispersion and the gas phase (meniscus), and it is difficult to obtain a single crystal plane on the entire substrate surface, and the drying of the dispersion near the meniscus is abrupt. There are also problems such as the occurrence of cracks because they occur.
一方、特許文献2、3及び非特許文献1に開示されている方法は、いずれも、物理的な閉じ込め効果を利用した微粒子配列体薄膜の形成法である。しかしながら、特許文献3に開示されている方法は、根本的には、上述した引き上げ法と同様の問題がある。
On the other hand, the methods disclosed in
また、特許文献2に開示されている方法は、微少な特殊形状を有する微粒子配列体構造を得るための方法であり、微粒子分散液の補給ができない。そのため、この方法では、大面積薄膜を得るのは困難である。また、上部支持体の内面と下部支持体の凸部との間の隙間に浸透している微粒子分散液中の溶媒は、隙間の周囲から揮発し、凹部とスペーサの隙間を通って容器上部の開口部から蒸発する。すなわち、上部支持体の内面と下部支持体の凸部の間にある微粒子分散液中の溶媒は、2次元方向に流れる。そのため、この方法を大面積薄膜に適用したとしても、乾燥時に薄膜にクラックが発生し、健全な大面積薄膜は得られない。 Further, the method disclosed in Patent Document 2 is a method for obtaining a fine particle array structure having a fine special shape, and the fine particle dispersion cannot be replenished. Therefore, it is difficult to obtain a large area thin film by this method. In addition, the solvent in the fine particle dispersion that has permeated into the gap between the inner surface of the upper support and the convex portion of the lower support volatilizes from the periphery of the gap and passes through the gap between the recess and the spacer. Evaporates from the opening. That is, the solvent in the fine particle dispersion between the inner surface of the upper support and the convex portion of the lower support flows in a two-dimensional direction. Therefore, even if this method is applied to a large area thin film, a crack occurs in the thin film during drying, and a sound large area thin film cannot be obtained.
さらに、非特許文献2に開示されている方法は、ガラス基板とガスケットとの間に、コロイド粒子の粒子径より幅の狭い溝を形成する必要があり、フォトリソグラフィなどの複雑な工程を必要とする。また、空隙内に保持された微粒子分散液中の溶媒は、2次元方向に流れるので、乾燥時に薄膜にクラックが発生し、健全な大面積薄膜は得られない。さらに、この方法で配列構造を得るには、超音波振動などの駆動力をパッキングセルに作用させる必要があるとされている。 Furthermore, the method disclosed in Non-Patent Document 2 needs to form a groove having a width smaller than the particle diameter of the colloidal particles between the glass substrate and the gasket, and requires a complicated process such as photolithography. To do. In addition, since the solvent in the fine particle dispersion held in the voids flows in a two-dimensional direction, cracks are generated in the thin film during drying, and a sound large-area thin film cannot be obtained. Furthermore, in order to obtain an array structure by this method, it is necessary to apply a driving force such as ultrasonic vibration to the packing cell.
本発明が解決しようとする課題は、液漏れによる特性変化がなく、振動に強い微粒子配列体薄膜及びその製造方法、並びに、このような微粒子配列体薄膜を作製可能な微粒子配列体薄膜製造装置を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、膜面内の結晶方位が揃っており、クラックが少なく、かつ、面積の大きい微粒子配列体薄膜及びその製造方法、並びに、このような微粒子配列体薄膜を作製可能な微粒子配列体薄膜製造装置を提供することにある。
さらに、本発明が解決しようとする他の課題は、複雑な装置や工程を用いることなく、少量の微粒子分散液から大面積の微粒子配列体薄膜を製造することが可能な微粒子配列体薄膜の製造方法及び微粒子配列体薄膜製造装置を提供することにある。
The problem to be solved by the present invention is a fine particle array thin film that is resistant to vibration and has no characteristic change due to liquid leakage, a method for manufacturing the same, and a fine particle array thin film manufacturing apparatus capable of producing such a fine particle array thin film. It is to provide.
Another problem to be solved by the present invention is a fine particle array thin film having a uniform crystal orientation in the film plane, few cracks and a large area, a method for producing the same, and such a fine particle array. An object of the present invention is to provide a fine particle array thin film manufacturing apparatus capable of manufacturing a body thin film.
Furthermore, another problem to be solved by the present invention is to produce a fine particle array thin film capable of producing a large particle array thin film from a small amount of fine particle dispersion without using a complicated apparatus or process. The object is to provide a method and a fine particle array thin film manufacturing apparatus.
上記課題を解決するために本発明に係る微粒子配列体薄膜は、単分散微粒子が規則的に配列した薄膜を備え、膜面内の結晶方位が揃った周期構造を有し、クラックの面積率が8%以下であり、かつ、前記薄膜の大きさが45mm×20mm以上であることを要旨とする。
また、本発明に係る微粒子配列体薄膜製造装置は、一方が上面側となり、他方が下面側となるように、所定の間隔を隔てて対向する2枚の平板状支持体と、該2枚の平板状支持体の少なくとも両端を密封し、前記2枚の平板状支持体の間に空隙部を形成し、かつ、前記2枚の平板状支持体の先端に第1の開口部を形成するための一対のスペーサと、前記2枚の平板状支持体の後端側に設けられた、単分散微粒子を分散させた微粒子分散液を保持するための液だめ部とを備えていることを要旨とする。
さらに、本発明に係る微粒子配列体薄膜の製造方法は、本発明に係る微粒子配列体薄膜製造装置を用いた方法であって、前記液だめ部に前記微粒子分散液を注入する注入工程と、前記空隙部内において前記単分散微粒子を配列させる配列工程とを備えていることを要旨とする。
Particle array film according to the present invention in order to solve the above problems, comprises a thin film monodisperse particles are regularly arranged, have a crystal orientation uniform periodic structure of the film surface, the area ratio of cracks There Ri der than 8%, and the magnitude of the thin film is summarized as a this is 45 mm × 20 mm or more.
Further, fine particle arrangement thin film manufacturing apparatus according to the present invention, one is the upper surface side, so the other is a lower surface side, two flat plate-like support which face each other with a spacing of Jo Tokoro, two said At least both ends of the flat plate support are sealed, a gap is formed between the two flat plate supports, and a first opening is formed at the tip of the two flat plate supports. And a reservoir for holding a fine particle dispersion in which monodisperse fine particles are dispersed, provided on the rear end side of the two flat plate-like supports. And
Furthermore, the method for producing a fine particle array thin film according to the present invention is a method using the fine particle array thin film production apparatus according to the present invention, wherein an injection step of injecting the fine particle dispersion into the reservoir portion, And an arranging step of arranging the monodispersed fine particles in the void.
本発明において、規則配列構造(最密充填構造)を得るための駆動力は、分散液中の分散媒が開口部から蒸発することにより空隙部内に発生する分散液の流れである。すなわち、2枚の平板状支持体の両端を密封し、後端側に設けられた液だめ部に微粒子分散液を注入すると、空隙部内が微粒子分散液で満たされる。次いで、分散媒が先端の開口部から徐々に蒸発することによって、空隙部内の分散液には後端側から先端側の第1の開口部に向かう一方向の流れが発生する。この流れによって微粒子が第1の開口部に運ばれ、第1の開口部付近に規則的に堆積する。また、液だめ部から微粒子分散液が補充されるので、やがては空隙部内全体に微粒子が規則的に堆積する。 In the present invention, the driving force for obtaining a regular array structure (close-packed structure) is the flow of the dispersion generated in the voids as the dispersion medium in the dispersion evaporates from the openings. That is, when both ends of the two plate-like supports are sealed and the fine particle dispersion is injected into a liquid reservoir provided on the rear end side, the space is filled with the fine particle dispersion. Next, as the dispersion medium gradually evaporates from the opening at the front end, a one-way flow from the rear end side toward the first opening at the front end side is generated in the dispersion liquid in the gap. Due to this flow, the fine particles are carried to the first opening and regularly deposited in the vicinity of the first opening. Further, since the fine particle dispersion liquid is replenished from the liquid reservoir portion, the fine particles are regularly deposited in the entire void portion.
本発明においては、分散液の流れが一方向に揃えられるので、膜面内において結晶方位の揃った単結晶状態の配列体が得られる。また、乾燥箇所が制限されているので、乾燥が極めてゆっくり進行する。そのため、乾燥時に発生するクラックの頻度が著しく減少する。また、微粒子分散液が空隙部に適宜補充されるので、極めて少量の分散液から大面積薄膜を得ることができる。さらに、本発明に係る微粒子配列体薄膜は、単結晶に近い結晶状態を有し、クラックの密度も極めて少ないので、高い波長選択性、高い反射率などの優れた光学特性を発現する。 In the present invention, since the flow of the dispersion liquid is aligned in one direction, an array body in a single crystal state in which the crystal orientation is aligned in the film plane is obtained. Moreover, since the drying location is limited, drying proceeds very slowly. Therefore, the frequency of cracks that occur during drying is significantly reduced. Further, since the fine particle dispersion is appropriately replenished in the voids, a large-area thin film can be obtained from an extremely small amount of the dispersion. Furthermore, since the fine particle array thin film according to the present invention has a crystal state close to a single crystal and has an extremely low crack density, it exhibits excellent optical characteristics such as high wavelength selectivity and high reflectance.
以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
本発明の第1の実施の形態に係る微粒子配列体薄膜は、単分散微粒子が規則的に配列した薄膜を備え、膜面内の結晶方位が揃った周期構造を有し、かつ、クラックの面積率が8%以下であることを特徴とする。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail.
The fine particle array thin film according to the first embodiment of the present invention includes a thin film in which monodispersed fine particles are regularly arranged, has a periodic structure in which crystal orientations in the film surface are aligned, and has a crack area. The rate is 8% or less.
本発明において、「単分散微粒子」とは、次の(1)式で表される粒子径のばらつきが10%以下であるものをいう。粒子径のばらつきが10%を超えると、微粒子を規則的に配列させるのが困難となる。単結晶状態に近い微粒子配列体薄膜を得るためには、粒子径のばらつきは、小さいほどよい。
粒子径のばらつき(%)=σ×100/dmean ・・・(1)
但し、σは標準偏差、dmeanは平均粒径である。また、標準偏差σは、次の(2)式で表される。標準偏差σ及び平均粒径dmeanは、それぞれ、微粒子の粒度分布を測定することにより求められる。また、粒度分布測定法としては、(1)SEMやTEMで粒子を多数直接観察する画像法、(2)静的光散乱法、(3)動的光散乱法、などがある。
In the present invention, “monodispersed fine particles” refers to those having a particle size variation represented by the following formula (1) of 10% or less. If the variation in particle diameter exceeds 10%, it becomes difficult to regularly arrange the fine particles. In order to obtain a fine particle array thin film that is close to a single crystal state, the smaller the variation in particle diameter, the better.
Variation in particle diameter (%) = σ × 100 / d mean (1)
However, (sigma) is a standard deviation and dmean is an average particle diameter. The standard deviation σ is expressed by the following equation (2). The standard deviation σ and the average particle diameter d mean are respectively determined by measuring the particle size distribution of the fine particles. As the particle size distribution measurement method, there are (1) an image method in which a large number of particles are directly observed by SEM or TEM, (2) a static light scattering method, and (3) a dynamic light scattering method.
単分散微粒子の平均粒径は、特に限定されるものではなく、少なくとも安定したコロイド溶液を形成可能なものであれば良い。安定したコロイド溶液を形成するためには、単分散微粒子の平均粒径は、5nm〜2μmが好ましい。一般に、単分散微粒子の平均粒径が変わると、微粒子配列体薄膜の光学特性が変化する。従って、単分散微粒子の平均粒径は、微粒子配列体薄膜の用途、要求される特性等に応じて最適なものを選択する。 The average particle size of the monodispersed fine particles is not particularly limited, and any monodispersed particles that can form at least a stable colloidal solution may be used. In order to form a stable colloidal solution, the average particle size of the monodisperse fine particles is preferably 5 nm to 2 μm. Generally, when the average particle size of monodispersed fine particles changes, the optical characteristics of the fine particle array thin film change. Accordingly, the average particle size of the monodispersed fine particles is selected in accordance with the use of the fine particle array thin film, the required characteristics, and the like.
単分散微粒子の材質は、特に限定されるものではなく、種々の材料を用いることができる。一般に、単分散微粒子の材質(特に、屈折率)が変わると、微粒子配列体薄膜の光学特性が変化する。従って、単分散微粒子の材質は、微粒子配列体薄膜の用途、要求される特性等に応じて最適なものを選択する。
単分散微粒子としては、具体的には、
(1) シリカ微粒子などのセラミックス粒子、
(2) ポリスチレン微粒子、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)等のポリマ粒子、
(3) セラミックス粒子、ポリマ粒子等からなるコアの表面に、コアとは異なる材料(例えば、金属微粒子、チタニア等の金属酸化物微粒子、チタニア等の金属酸化物ナノシートなど)からなるシェルを被覆したコア/シェル型粒子、
(4) 焼成、抽出等の方法を用いて、コア/シェル型粒子からコアを除去することにより得られる中空型粒子、
などがある。
The material of the monodispersed fine particles is not particularly limited, and various materials can be used. Generally, when the material (in particular, refractive index) of monodispersed fine particles changes, the optical characteristics of the fine particle array thin film change. Accordingly, the material of the monodisperse fine particles is selected in accordance with the use of the fine particle array thin film, the required characteristics, and the like.
As monodisperse fine particles, specifically,
(1) Ceramic particles such as silica fine particles,
(2) Polymer particles such as polystyrene fine particles, polymethyl methacrylate (PMMA),
(3) The surface of the core made of ceramic particles, polymer particles, etc. is coated with a shell made of a material different from the core (for example, metal fine particles, metal oxide fine particles such as titania, metal oxide nanosheets such as titania). Core / shell particles,
(4) Hollow-type particles obtained by removing the core from the core / shell-type particles using a method such as firing or extraction,
and so on.
微粒子配列体薄膜は、単分散微粒子が1層だけ規則的に配列している単層膜(単分散微粒子が2次元規則配列した構造体)であっても良く、あるいは、このような単層膜が膜厚方向に規則的に複数層積層している多層膜(単分散微粒子が3次元規則配列した構造体)であっても良い。
微粒子配列体薄膜中の単層膜の層数は、単分散微粒子の平均粒径と、後述する微粒子配列体薄膜製造装置の空隙部の高さ(2枚の平行平板の間隔)とを変化させることにより、任意に制御することができる。
同様に、微粒子配列体薄膜の膜厚は、後述する微粒子配列体薄膜製造装置の空隙部の高さを変化させることにより、任意に制御することができる。微粒子配列体薄膜の厚さは、特に限定されるものではないが、0.2mm以下が好ましい。これは、厚さがあまり大きくなると、開口部からの微粒子分散液の流出(あるいは、漏れ)が生じ、空隙内部で分散液を保持して微粒子配列体薄膜を形成するのが困難になるためである。
The fine particle array thin film may be a single layer film in which only one monodispersed fine particle is regularly arranged (a structure in which monodispersed fine particles are two-dimensionally ordered), or such a monolayer film. May be a multilayer film (a structure in which monodisperse fine particles are regularly arranged in a three-dimensional manner) in which a plurality of layers are regularly stacked in the film thickness direction.
The number of monolayer films in the fine particle array thin film changes the average particle diameter of the monodispersed fine particles and the height of the voids (interval between two parallel flat plates) of the fine particle array thin film manufacturing apparatus described later. Therefore, it can be arbitrarily controlled.
Similarly, the film thickness of the fine particle array thin film can be arbitrarily controlled by changing the height of the gap of the fine particle array thin film manufacturing apparatus described later. The thickness of the fine particle array thin film is not particularly limited, but is preferably 0.2 mm or less. This is because if the thickness is too large, the fine particle dispersion liquid flows out (or leaks) from the opening, making it difficult to hold the dispersion liquid inside the gap and form a fine particle array thin film. is there.
微粒子配列体薄膜の面積は、後述する微粒子配列体薄膜製造装置の平板状支持体の面積を変化させることにより、任意に制御することができる。後述する微粒子配列体薄膜製造装置を用いると、極めて少量の微粒子分散液から相対的に面積の大きい(具体的には、10cm2以上)の微粒子配列体薄膜を作製することができる。 The area of the fine particle array thin film can be arbitrarily controlled by changing the area of the flat support of the fine particle array thin film manufacturing apparatus described later. When a fine particle array thin film manufacturing apparatus described later is used, a fine particle array thin film having a relatively large area (specifically, 10 cm 2 or more) can be produced from an extremely small amount of the fine particle dispersion.
「膜面内の結晶方位が揃った周期構造」とは、結晶粒界がほとんどなく、単結晶とほぼ同等の状態にあることをいう。具体的には、膜面全体の90%以上の領域において、膜面に垂直方向から測定した回折パターンがスポットパターンを示し、かつ、そのスポットの配列方向が±5°以内にあることをいう。
回折パターンの測定は、原則的には、膜に対して垂直にレーザ光を照射し、その透過光を試料後方に置いたスクリーンで観察することにより行う。しかし、粒子径とレーザ光の波長との関係から、レーザ光により回折パターンを観察することが原理的にできない場合には、走査型電子顕微鏡(SEM)像の粒子配列を2次元フーリエ変換することにより得られるパターンで代用しても良い。
The “periodic structure in which the crystal orientations in the film plane are aligned” means that there is almost no crystal grain boundary and is almost in the same state as a single crystal. Specifically, it means that in an area of 90% or more of the entire film surface, the diffraction pattern measured from the direction perpendicular to the film surface shows a spot pattern, and the arrangement direction of the spots is within ± 5 °.
In principle, the diffraction pattern is measured by irradiating a laser beam perpendicularly to the film and observing the transmitted light on a screen placed behind the sample. However, if it is not possible in principle to observe the diffraction pattern with the laser beam due to the relationship between the particle diameter and the wavelength of the laser beam, two-dimensional Fourier transform is performed on the particle array of the scanning electron microscope (SEM) image. The pattern obtained by the above may be substituted.
「クラックの面積率」とは、200μm×300μmの領域に含まれるクラックの総面積の割合を百分率で表したもの(単位面積当たりのクラックの面積の割合)をいう。一般に、微粒子配列体薄膜の光学特性を向上させるためには、クラックの面積率は、小さいほどよい。後述する微粒子配列体薄膜製造装置を用いると、クラックの面積率が8%以下である微粒子配列体薄膜、さらに製造条件を最適化すれば、クラックの面積率が2%以下、あるいは、1%以下である微粒子配列体薄膜であっても製造することができる。
さらに、製造条件を最適化すれば、クラックの面積率が上述した値以下である領域の面積が膜面全体の90%以上である微粒子配列体薄膜であっても製造することができる。
The “area ratio of cracks” refers to the percentage of the total area of cracks included in the 200 μm × 300 μm region (the ratio of the crack area per unit area). Generally, in order to improve the optical characteristics of the fine particle array thin film, the smaller the crack area ratio, the better. When using the fine particle array thin film manufacturing apparatus described later, the fine particle array thin film has a crack area ratio of 8% or less, and if the manufacturing conditions are optimized, the crack area ratio is 2% or less, or 1% or less. Even a fine particle array thin film can be manufactured.
Furthermore, if the manufacturing conditions are optimized, it is possible to manufacture even a fine particle array thin film in which the area of the area where the crack area ratio is not more than the above-described value is 90% or more of the entire film surface.
また、微粒子配列体薄膜の光学特性を向上させるためには、クラックの幅は、狭いほどよい。後述する微粒子配列体薄膜製造装置を用いると、クラックの幅が単分散微粒子の平均粒径の4倍以下である微粒子配列体薄膜が得られる。また、製造条件を最適化すれば、クラックの幅が単分散微粒子の平均粒径の3倍以下、2倍以下、1倍以下、あるいは、0.5倍以下である微粒子配列体薄膜が得られる。 In order to improve the optical characteristics of the fine particle array thin film, the width of the crack is preferably as narrow as possible. When a microparticle array thin film manufacturing apparatus described later is used, a microparticle array thin film having a crack width of 4 times or less the average particle diameter of monodispersed microparticles can be obtained. In addition, if the manufacturing conditions are optimized, a fine particle array thin film having a crack width of 3 times or less, 2 times or less, 1 time or less, or 0.5 times or less the average particle diameter of monodispersed fine particles can be obtained. .
本発明において、規則配列した単分散微粒子は、隣接する単分散微粒子のいずれか1以上と接触した状態になっている。単分散微粒子の規則配列構造は、特に限定されるものではなく、面心立方構造若しくは六方稠密構造(最密充填構造)、体心立方構造、単純立方構造等、種々の構造を取ることができる。
これらの中でも、単分散微粒子の規則配列構造は、膜厚方向に(111)配向した面心立方構造、又は、六方稠密構造に配列した構造が好ましい。後述する本発明に係る微粒子配列体薄膜製造装置を用いると、膜厚方向に微粒子が最密充填している微粒子配列体薄膜を容易に製造することができる。
In the present invention, the regularly arranged monodisperse fine particles are in contact with any one or more of the adjacent monodisperse fine particles. The regular arrangement structure of the monodisperse fine particles is not particularly limited, and can take various structures such as a face-centered cubic structure, a hexagonal close-packed structure (closest packed structure), a body-centered cubic structure, a simple cubic structure, and the like. .
Among these, the regularly arranged structure of monodisperse fine particles is preferably a (111) -oriented face-centered cubic structure or a hexagonal close-packed structure in the film thickness direction. When a fine particle array thin film manufacturing apparatus according to the present invention described later is used, a fine particle array thin film in which fine particles are closely packed in the film thickness direction can be easily manufactured.
また、互いに接触している単分散微粒子間の隙間には、気体、液体、又は、単分散微粒子とは異なる材料からなる固体のいずれが充填されていても良い。一般に、気体の屈折率は、液体又は固体に比べて小さいので、単分散微粒子間の隙間に充填させる物質を適宜選択することにより、微粒子配列体薄膜の有効屈折率を任意に制御することができる。
単分散微粒子間の隙間に充填させる気体としては、具体的には、空気などがある。
単分散微粒子間に充填させる液体としては、具体的には、(1)水、(2)アルコールやエーテル、エステル等の有機溶媒、(3)イミダゾリウム塩やピリジニウム塩等の陽イオン成分とBF4−やPF6−等の陰イオン成分からなるイオン性液体(常温溶融塩)、などがある。
単分散微粒子間に充填させる固体としては、具体的には、(1)アクリル(ポリアクリル酸エステル)やポリスチレン、フッ素樹脂、シリコーン樹脂等のポリマ、(2)TiO2、Al2O3、Si3N4、SiO2等のセラミックス、(3)Si、Ge等の半導体、などがある。
さらに、単分散微粒子間には、上述した気体、液体又は固体のいずれか1種のみが充填されていても良く、あるいは、2種以上が充填されていても良い。
Further, the gaps between the monodispersed fine particles that are in contact with each other may be filled with gas, liquid, or a solid made of a material different from the monodispersed fine particles. In general, since the refractive index of gas is smaller than that of liquid or solid, the effective refractive index of the fine particle array thin film can be arbitrarily controlled by appropriately selecting the material to be filled in the gaps between the monodisperse fine particles. .
Specific examples of the gas filled in the gaps between the monodisperse fine particles include air.
Specifically, the liquid to be filled between the monodispersed fine particles includes (1) water, (2) an organic solvent such as alcohol, ether and ester, (3) a cationic component such as imidazolium salt and pyridinium salt, and BF. ionic liquids consisting of anionic components 4 and PF 6-, etc. (ambient temperature molten salt), and the like.
Specific examples of the solid filled between the monodisperse fine particles include (1) polymers such as acrylic (polyacrylic acid ester), polystyrene, fluororesin, and silicone resin, and (2) TiO 2 , Al 2 O 3 , Si There are ceramics such as 3 N 4 and SiO 2 and (3) semiconductors such as Si and Ge.
Furthermore, the monodispersed fine particles may be filled with only one of the above-described gas, liquid, or solid, or may be filled with two or more.
単分散微粒子間の隙間に気体及び液体の少なくとも一方が充填される場合、微粒子配列体薄膜の一方の面又は双方の面は、平板状支持体により支持されている必要がある。また、必要に応じて、微粒子配列体薄膜の両面を2枚の平板状支持体で支持し、かつ、その周囲を封止しても良い。一方、単分散微粒子間の隙間に固体が充填されてる場合、微粒子配列体薄膜は自立膜となるので、平板状支持体は必ずしも必要ではない。
平板状支持体の材質は、微粒子配列体薄膜の光学特性に悪影響を与えないものであれば良く、微粒子配列体薄膜の用途、要求される特性等に応じて任意に選択することができる。例えば、本発明に係る微粒子配列体薄膜を、入射光に含まれる特定の波長の光のみを透過させる光フィルタとして用いる場合、平板状支持体には、少なくとも特定の波長の光を透過させる材料を用いるのが好ましい。一方、微粒子配列体薄膜の両面を平板状支持体で支持する場合において、反射特性を利用する場合には、平板状支持体の少なくとも一方が、特定の波長の光を透過させる材料であれば良い。
平板状支持体の材質としては、具体的には、(1)ガラス、(2)Siウェハ、(3)鉄、ステンレス、アルミニウム等の金属プレートなどがある。
When at least one of gas and liquid is filled in the gaps between the monodisperse fine particles, one surface or both surfaces of the fine particle array thin film must be supported by a flat plate-like support. In addition, if necessary, both surfaces of the fine particle array thin film may be supported by two flat support members and the periphery thereof may be sealed. On the other hand, when the solid is filled in the gaps between the monodisperse fine particles, the fine particle array thin film is a self-supporting film, and thus a flat plate-like support is not always necessary.
The material of the flat support is not particularly limited as long as it does not adversely affect the optical characteristics of the fine particle array thin film, and can be arbitrarily selected according to the use of the fine particle array thin film, required characteristics, and the like. For example, when the fine particle array thin film according to the present invention is used as an optical filter that transmits only light of a specific wavelength included in incident light, the flat support is made of a material that transmits at least light of a specific wavelength. It is preferable to use it. On the other hand, when both surfaces of the fine particle array thin film are supported by a flat support, when using reflection characteristics, at least one of the flat supports may be a material that transmits light of a specific wavelength. .
Specific examples of the material of the flat support include (1) glass, (2) Si wafer, (3) metal plate such as iron, stainless steel, and aluminum.
次に、本発明の第2の実施の形態に係る微粒子配列体薄膜について説明する。本実施の形態に係る微粒子配列体薄膜は、いわゆる「逆オパール」構造を有するものであって、単分散微粒子が規則的に配列した薄膜を備え、膜面内の結晶方位が揃った周期構造を有し、クラックの面積率が8%以下であり、かつ、単分散微粒子間に単分散微粒子とは異なる固体を充填した微粒子配列体薄膜から、単分散微粒子を除去することにより得られる。
なお、「単分散微粒子」、「周期構造」、「クラックの面積率」、「固体」等、微粒子配列体薄膜に関するその他の点については、第1の実施の形態と同様であるので説明を省略する。また、単分散微粒子の除去方法については、後述する。
Next, the fine particle array thin film according to the second embodiment of the present invention will be described. The fine particle array thin film according to the present embodiment has a so-called “reverse opal” structure, and includes a thin film in which monodispersed fine particles are regularly arranged, and has a periodic structure in which crystal orientations are aligned in the film plane. It is obtained by removing the monodisperse fine particles from the fine particle array thin film in which the area ratio of cracks is 8% or less and the monodispersed fine particles are filled with a solid different from the monodispersed fine particles.
Other points regarding the fine particle array thin film such as “monodisperse fine particles”, “periodic structure”, “crack area ratio”, “solid” and the like are the same as those in the first embodiment, and thus the description thereof is omitted. To do. A method for removing monodisperse fine particles will be described later.
次に、本発明に係る微粒子配列体薄膜製造装置について説明する。
図1に、微粒子配列体薄膜製造装置の概略構成図を示す。図1において、微粒子配列体薄膜製造装置10は、平板状支持体12a、12bと、スペーサ(第1のスペーサ)14a、14bと、液だめ部16とを備えている。2枚の平板状支持体12a、12bは、所定の間隔を隔てて対向しており、その両端は、平板状支持体12a、12bの間に挿入された一対のスペーサ14a、14bで密封されている。スペーサ14a、14bは、2枚の平板状支持体の間に所定の高さ及び幅を有する空隙部18aを形成するためのものである。また、両端がスペーサ14a、14bで密封された平板状支持体12a、12bの先端側には、第1の開口部18bが形成されている。第1の開口部18bは、空隙部18aに充填された微粒子分散液に含まれる分散媒を揮発させるためのものである。
Next, the fine particle array thin film manufacturing apparatus according to the present invention will be described.
FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of a fine particle array thin film manufacturing apparatus. In FIG. 1, the fine particle array thin
液だめ部16は、単分散微粒子を分散させた微粒子分散液を保持し、かつ、空隙部18aに微粒子分散液を補充するためのものである。空隙部18a内に充填された微粒子分散液に一方向の流れを発生させるためには、液だめ部16は、2枚の平板状支持体12a、12bの後端側(すなわち、第1の開口部18bとは反対側)に設ける必要がある。
液だめ部16の構造は、特に限定されるものではなく、空隙部18aに微粒子分散液を補充することができ、かつ、空隙部18a内の微粒子分散液に一方向の流れを発生させることができるものであれば良い。例えば、一対のスペーサ14a、14bをコの字型のスペーサに代えたり、あるいは、平板状支持体12a、12bの後端側に3つ目のスペーサを挿入すること等によって、2枚の平板状支持体12a、12bの後端側を密封し、平板状支持体12bの上面の後端側に、筒状又は直方体状の液だめ部を設けても良い。
The
The structure of the
図1に示す例において、液だめ部16は、2枚の平板状支持体12a、12bの後端に形成された第2の開口部18cから微粒子分散液を空隙部18aに供給するようになっている。すなわち、下面側の平板状支持体12aは、上面側の平板状支持体12bより長さが長くなっている。平板状支持体12aの後端側に延長された部分の上方には、上部カバー20が設けられている。また、平板状支持体12aの後端側の延長部と上部カバー20の両端及び平板状支持体12bの後端側の端面は、第2のスペーサ22a、22bで密封されている。液だめ部16は、平板状支持体12aの後端側延長部、上部カバー20及び第2のスペーサ22a、22bで構成され、これらによって囲まれる空間内に微粒子分散液が保持される。第2の開口部18cに液だめ部16を接続すると、空隙部18a全体に微粒子配列体薄膜を形成することができるという利点がある。
In the example shown in FIG. 1, the
第1のスペーサ14a、14bの厚さは、空隙部18aに微粒子分散液が毛細管現象により侵入可能な厚さであれば良い。第1のスペーサ14a、14bの厚さを変えることによって、2枚の平板状支持体12a、12bの間隔(すなわち、空隙部18a内に形成される微粒子配列体薄膜の厚さ)を変えることができる。
但し、第1のスペーサ14a、14bの厚さは、微粒子分散液に含まれる単分散微粒子の平均粒径より大きいことが好ましい。また、単分散微粒子が複数層積層した微粒子配列体薄膜を得るためには、第1のスペーサ14a、14bの厚さは、単分散微粒子の平均粒径の2倍より大きいことが好ましい。
一方、第1のスペーサ14a、14bの厚さは、0.2mm以下が好ましい。第1のスペーサ14a、14bの厚さが0.2mmを超えると、第1の開口部18bから微粒子分散液の流出(あるいは、漏れ)が生じ、空隙内部で分散液を保持して微粒子配列体薄膜を形成することが困難になるので好ましくない。
The thickness of the
However, the thickness of the
On the other hand, the thickness of the
第2のスペーサ22a、22bの厚さは、特に限定されるものではなく、上部カバー20の形状、液だめ部16に保持させる微粒子分散液の体積等に応じて、最適なものを選択する。例えば、図1に示すように、上部カバー20が平板状である場合、第2のスペーサ22a、22bの厚さは、必然的に「上面の平板状支持体12bの厚さ+第1のスペーサ14a、14bの厚さ」とほぼ同等になる。
一方、上部カバー20の側面形状を階段状にすると、より多くの微粒子分散液を液だめ部16に保持することができる。この場合、階段状の上部カバー20と平板状支持体12aの両側端が密封されるように、第2のスペーサ22a、22bの形状を上部カバー20の側面形状に合わせて階段状とする。
平板状支持体12a、12bの長さ及び幅(すなわち、空隙部18aの長さ及び幅)は、特に限定されるものではなく、作製しようとする微粒子配列体薄膜の長さ及び幅に応じて、最適なものを選択する。
The thickness of the
On the other hand, when the side surface shape of the
The length and width of the plate-
平板状支持体12a、12bは、平板状であれば良く、どのような材質、大きさのものでも使用可能である。平板状支持体12a、12bの材質としては、具体的には、(1)ガラス、(2)Siウェハ、(3)鉄、ステンレス、アルミニウム等の各種金属プレート、などがある。
但し、作製された微粒子配列体薄膜を平板状支持体12a、12bで支持した状態でそのまま使用する場合には、平板状支持体12a、12bの少なくとも一方には、目的とする波長の光に対して透明な材料(例えば、ガラス、透明プラスチックなど)を用いるのが好ましい。
The plate-
However, when the prepared fine particle array thin film is used as it is in the state of being supported by the
また、欠陥の少ない微粒子配列体薄膜を作製するためには、平板状支持体12a、12bの少なくとも一方に対し、微粒子分散液に対してぬれ性を良くするための処理を施す必要がある。
例えば、微粒子分散液の分散媒が水である場合において、微粒子配列体薄膜の両面を平板状支持体12a、12bで挟持した状態で使用するときには、平板状支持体12a、12bの双方の内面に親水処理(例えば、UV/オゾンクリーニングなど)を施すのが好ましい。一方、製造工程の途中で平板状支持体12a、12bのいずれか一方を取り外す必要があるときには、いずれか一方に親水処理を施し、他方(取り外す方)に疎水処理(例えば、テトラメチルジシラザンHMDS、オクチルシランOTMS、オクタデシルトリクロロシランOTSなどのシランカップリング剤による表面処理など)を施すのが好ましい。
Further, in order to produce a fine particle array thin film with few defects, it is necessary to perform treatment for improving wettability to the fine particle dispersion on at least one of the plate-
For example, when the dispersion medium of the fine particle dispersion is water and the both surfaces of the fine particle array thin film are used while being sandwiched by the flat plate supports 12a and 12b, the inner surfaces of both the flat plate supports 12a and 12b are used. It is preferable to perform hydrophilic treatment (for example, UV / ozone cleaning). On the other hand, when it is necessary to remove one of the plate-
第1のスペーサ14a、14bは、単分散微粒子を配列させる際に、空隙部18aの高さを一定に保つことができ、かつ、液漏れ、液の蒸発を防げるものであれば、いかなる材質のものでも良い。また、第2のスペーサ22a、22bは、単分散微粒子を配列させる際に、液漏れ、液の蒸発を防げるものであれば、いかなる材質のものでも良い。
第1のスペーサ14a、14bの材質としては、具体的には、極薄両面接着テープ、ポリエステル、ポリオレフィン(ポリエチレン、ポリプロピレンなど)、フッ素樹脂(テトラフルオロエチレンなど)、シリコーン樹脂、などがある。また、真空蒸着膜、スパッタリング膜などにより形成した数十ナノメートル程度の膜厚制御が可能な薄膜であって、各種の材料(例えば、金属、セラミックスなど)からなる薄膜であっても使用することができる。
また、第2のスペーサ22a、22bの材質としては、具体的には、シリコーンシート、ポリエステル、ポリオレフィン(ポリエチレン、ポリプロピレンなど)、フッ素樹脂(テトラフルオロエチレンなど)、シリコーン樹脂などがある。
上部カバー20は、液だめ部16に注入される微粒子分散液を保持するためのものであるので、その材質に制限はなく、また、必ずしも微粒子分散液に対してぬれ性を良くするための処理を施す必要もない。
The
Specific examples of the material of the
Specific examples of the material of the
Since the
次に、図1に示す微粒子配列体薄膜製造装置を用いた微粒子配列体薄膜の製造方法について説明する。本発明の第1の実施の形態に係る製造方法は、単分散微粒子間に気体が充填されている微粒子配列体薄膜の製造方法であって、注入工程と、配列工程と、蒸発工程とを備えている。 Next, a method for manufacturing a fine particle array thin film using the fine particle array thin film manufacturing apparatus shown in FIG. 1 will be described. The manufacturing method according to the first embodiment of the present invention is a method of manufacturing a fine particle array thin film in which gas is filled between monodisperse fine particles, and includes an injection step, an alignment step, and an evaporation step. ing.
注入工程は、上述した微粒子配列体薄膜製造装置10の液だめ部16に微粒子分散液を注入する工程である。液だめ部16に微粒子分散液が注入されると、毛細管現象により空隙部18a全体が微粒子分散液で満たされる。この場合、液だめ部16の注入口からの分散媒の蒸発を抑えるために、注入口をポリマフィルムで密封するのが好ましい。なお、注入口からの分散媒の蒸発があっても、空隙部18a全体に微粒子配列体を形成させるのに十分な量の微粒子分散液が液だめ部16にある場合には、注入口の密封を省略しても良い。
The injection step is a step of injecting the fine particle dispersion into the
ここで、「微粒子分散液」とは、上述した単分散微粒子を適当な分散媒に分散させた溶液を言う。分散媒は、特に限定されるものではないが、水、水に酸やアルカリ等を加えてpHを調製した水溶液等が用いるのが好ましい。 Here, the “fine particle dispersion” refers to a solution in which the above-mentioned monodisperse fine particles are dispersed in an appropriate dispersion medium. The dispersion medium is not particularly limited, but it is preferable to use water, an aqueous solution prepared by adding acid, alkali, or the like to water and the like.
分散媒中に分散させる単分散微粒子の内、ポリスチレン粒子等のポリマ粒子はエマルジョン重合により、また、シリカ粒子等のセラミックス粒子はストーバー法により合成することができる。 Among the monodispersed fine particles dispersed in the dispersion medium, polymer particles such as polystyrene particles can be synthesized by emulsion polymerization, and ceramic particles such as silica particles can be synthesized by the Stover method.
また、コア/シェル型粒子は、ポリマ粒子、セラミックス粒子等をコアに用いて、その表面にコア粒子とは異なる材料(例えば、ポリマ微粒子、金属微粒子、セラミックス微粒子、あるいは、セラミックスナノシートなど)を電気的相互作用により吸着させることにより作製することができる。また、コア粒子の電荷とシェルの材料の電荷が同一であるときには、コア粒子の表面に、コア粒子及びシェルの材料とは電荷が異なる材料からなる中間層とシェルの材料とを交互に吸着させる(交互吸着法)ことにより、所望の組成を有するコア/シェル型の単分散微粒子を作製することができる。 Core / shell type particles use polymer particles, ceramic particles, etc. as the core, and a material different from the core particles (for example, polymer fine particles, metal fine particles, ceramic fine particles, or ceramic nanosheets) is electrically charged on the surface. It can be produced by adsorbing by mechanical interaction. Further, when the charge of the core particle and the charge of the shell material are the same, the intermediate layer made of a material having a different charge from the core particle and the shell material and the shell material are alternately adsorbed on the surface of the core particle. By (alternate adsorption method), core / shell type monodispersed fine particles having a desired composition can be produced.
さらに、中空型粒子は、このようなコア/シェル型粒子からコアを除去することにより合成することができる。コアの除去方法は、コア及びシェルの材質に応じて、最適な方法を選択する。例えば、コアがポリスチレン粒子等のポリマ粒子であり、シェルがチタニアナノシート等のセラミックスからなる時には、ポリマ粒子を溶解する溶媒で抽出除去する方法、ポリマ粒子を焼成する方法、酸素プラズマで処理する方法などがある。
また、例えば、コアがシリカ等からなる場合には、水酸化ナトリウム水溶液中で加熱する方法、フッ化水素酸水溶液でエッチングする方法などがある。
Furthermore, hollow particles can be synthesized by removing the core from such core / shell particles. As the method for removing the core, an optimum method is selected according to the material of the core and the shell. For example, when the core is polymer particles such as polystyrene particles and the shell is made of ceramics such as titania nanosheets, a method of extracting and removing with a solvent that dissolves the polymer particles, a method of firing the polymer particles, a method of treating with oxygen plasma, etc. There is.
For example, when the core is made of silica or the like, there are a method of heating in an aqueous sodium hydroxide solution and a method of etching with an aqueous hydrofluoric acid solution.
微粒子分散液中の単分散微粒子の濃度は、単分散微粒子の材質、平均粒径等に応じて最適な濃度を選択する。但し、単分散微粒子の濃度が低すぎると、ある面積の微粒子配列体薄膜を得るための液量が多くなり、液だめ部16の容積を大きくする必要があるので好ましくない。一方、単分散微粒子の濃度が高くなりすぎると、分散液の粘性が高くなり、厚さの薄い空隙部18aに微粒子分散液が侵入しにくくなるので好ましくない。
単分散微粒子の濃度は、具体的には、0.1wt%以上50wt%以下が好ましく、さらに好ましくは、1wt%以上20wt%以下である。
As the concentration of the monodispersed fine particles in the fine particle dispersion, an optimum concentration is selected according to the material of the monodispersed fine particles, the average particle diameter, and the like. However, if the concentration of the monodisperse fine particles is too low, the amount of liquid for obtaining a fine particle array thin film having a certain area is increased, and the volume of the
Specifically, the concentration of the monodisperse fine particles is preferably 0.1 wt% or more and 50 wt% or less, more preferably 1 wt% or more and 20 wt% or less.
配列工程は、空隙部18a内において単分散微粒子を配列させる工程である。空隙部18a内に微粒子分散液が注入されると、第1の開口部18bから溶媒が徐々に揮発するので、空隙部18a内には、液だめ部16から第1の開口部18bに向かう分散液の流れが発生する。この流れが駆動力となって、第1の開口部18b側から単分散微粒子が徐々に整列する。また、液だめ部16から微粒子分散液が補給されるので、第1の開口部18a側から液だめ部16側に向かって微粒子配列体薄膜が成長する。
所定時間が経過すると、空隙部18a全体が微粒子配列体薄膜となる。この時点では、単分散微粒子は互いに接触しており、かつ、単分散微粒子間には分散媒が満たされている状態になっている。
The arranging step is a step of arranging the monodisperse fine particles in the
When a predetermined time elapses, the
単分散微粒子を配列させる際の温度は、相対的に低温が好ましい。装置を相対的に低温で保持すると、分散媒の揮発がゆっくりと進行するので、結晶方位の揃った微粒子配列体薄膜が得られる。但し、温度が低くなりすぎると、微粒子分散液が凍結する場合があるので好ましくない。単分散微粒子を配列させる際の温度は、具体的には、0℃以上80℃以下が好ましく、さらに好ましくは、5℃以上50℃以下である。
空隙部18a全体に単分散微粒子が規則配列するまでに要する時間は、微粒子分散液の組成、微粒子配列体薄膜の面積、保持温度等に応じて異なるが、通常、数時間から数十時間程度である。
The temperature at which the monodispersed fine particles are arranged is preferably relatively low. When the apparatus is held at a relatively low temperature, the volatilization of the dispersion medium proceeds slowly, so that a fine particle array thin film having a uniform crystal orientation can be obtained. However, if the temperature is too low, the fine particle dispersion may freeze, which is not preferable. Specifically, the temperature at which the monodispersed fine particles are arranged is preferably 0 ° C. or higher and 80 ° C. or lower, more preferably 5 ° C. or higher and 50 ° C. or lower.
The time required for the monodisperse fine particles to be regularly arranged in the
蒸発工程は、空隙部18a内において単分散微粒子が規則配列した後、第1の開口部18aから微粒子分散液に含まれる分散媒を蒸発させる工程である。
分散媒を除去する方法は、特に限定されるものではなく、種々の方法を用いることができる。例えば、装置10をそのまま室温に放置し、第1の開口部18aから分散媒を徐々に揮発させても良い。あるいは、加熱乾燥法、真空乾燥法、凍結乾燥法等を用いて、分散媒を強制的に蒸発させても良い。
The evaporation step is a step of evaporating the dispersion medium contained in the fine particle dispersion liquid from the
The method for removing the dispersion medium is not particularly limited, and various methods can be used. For example, the
分散媒が完全に除去されると、隣接する単分散微粒子が互いに接触し、かつ、単分散微粒子間に気体が充填された微粒子配列体薄膜が得られる。得られた微粒子配列体薄膜は、自立膜ではないので、これを平板状支持体12a、12bで挟持した状態、又は、平板状支持体12a、12bのいずれか一方を取り外した状態で使用される。あるいは、平板状支持体12a、12bのいずれか一方又は双方を、所定の光学特性を有する他の材料からなる平板状支持体で置き換えても良い。
When the dispersion medium is completely removed, a fine particle array thin film in which adjacent monodispersed fine particles come into contact with each other and gas is filled between the monodispersed fine particles is obtained. Since the obtained fine particle array thin film is not a self-supporting film, it is used in a state in which it is sandwiched between flat plate supports 12a and 12b or in a state in which any one of flat plate supports 12a and 12b is removed. . Alternatively, one or both of the
なお、蒸発工程を省略し、あるいは、蒸発工程において分散媒を完全に除去することなく、その一部が残った状態で乾燥を止めても良い。蒸発工程を省略し、あるいは、乾燥を途中で止めると、単分散微粒子間の隙間の全部又は一部が分散媒で充填された状態になるので、分散媒の残存量を制御することにより微粒子配列体薄膜の光学特性を変化させることができる。この場合、使用中に分散媒が揮発すると、微粒子配列体薄膜の光学特性が経時変化するので、微粒子配列体薄膜の両面を平板状支持体12a、12bで挟持し、かつ、分散媒の蒸発が起こらないように、その周囲を密封するのが好ましい。
Incidentally, it omitted evaporation process, or, without completely removing the Oite dispersion medium evaporating step may be stopped dried in a state in which a part thereof remained. If the evaporation step is omitted or if the drying is stopped halfway, all or part of the gaps between the monodisperse fine particles are filled with the dispersion medium. Therefore, the fine particle arrangement can be achieved by controlling the remaining amount of the dispersion medium. The optical characteristics of the body thin film can be changed. In this case, if the dispersion medium volatilizes during use, the optical properties of the fine particle array thin film change with time, so that both surfaces of the fine particle array thin film are sandwiched between the plate-
次に、本発明の第2の実施の形態に係る微粒子配列体薄膜の製造方法について説明する。本実施の形態に係る製造方法は、単分散微粒子間に液体が充填された微粒子配列体薄膜の製造方法であって、注入工程と、配列工程と、蒸発工程と、液体充填工程とを備えている。これらの内、注入工程、配列工程及び蒸発工程は、第1の実施の形態と同様であるので説明を省略する。 Next, a manufacturing method of the fine particle array thin film according to the second embodiment of the present invention will be described. The manufacturing method according to the present embodiment is a manufacturing method of a fine particle array thin film in which liquid is filled between monodisperse fine particles, and includes an injection step, an alignment step, an evaporation step, and a liquid filling step. Yes. Among these, injection step, aligning step及beauty evaporation step is omitted because it is similar to the first embodiment.
液体充填工程は、蒸発工程において単分散微粒子間にある溶媒を除去した後、単分散微粒子間に液体を充填する工程である。
単分散微粒子間に充填する液体は、特に限定されるものではなく、微粒子配列体薄膜の用途、要求される特性等に応じて、最適なものを選択する。充填する液体としては、上述した水、有機溶媒、イオン性液体等がある。
Liquid filling step, after removal of the solvent is between Oite monodisperse particles in the evaporation step, a step of filling a liquid between the monodisperse particles.
The liquid filled between the monodispersed fine particles is not particularly limited, and an optimal one is selected according to the use of the fine particle array thin film, the required characteristics, and the like. Examples of the liquid to be filled include water, an organic solvent, and an ionic liquid described above.
液体の充填方法は、特に限定されるものではなく、
(1) 第1の開口部18b又は第2の開口部18cから毛細管現象により液体を浸透させる方法(以下、これを「毛細管法」という)、
(2) 上面の平板状支持体12bを取り外し、微粒子配列体薄膜の上面から液体を滴下する方法(以下、これを「滴下法」という)、
などを用いることができる。
乾燥後の微粒子配列体薄膜は、単分散微粒子が互いに接触しているので、滴下法であっても、液体の滴下を静かに行うことにより、単分散微粒子の規則配列を乱すことなく、液体を充填することができる。また、滴下法は、毛細管法に比べて、液体の充填を効率よく行うことができる。
The liquid filling method is not particularly limited,
(1) A method of infiltrating a liquid by capillary action from the
(2) A method in which the flat plate-
Etc. can be used.
In the fine particle array thin film after drying, since the monodispersed fine particles are in contact with each other, even if the dropping method is used, the liquid can be dispersed without disturbing the regular arrangement of the monodispersed fine particles by gently dropping the liquid. Can be filled. Further, the dropping method can efficiently fill the liquid as compared with the capillary method.
充填する液体の量を調節すると、隣接する単分散微粒子が互いに接触し、かつ、単分散微粒子間の空隙の全部又は一部に所定の液体が充填された微粒子配列体薄膜が得られる。得られた微粒子配列体薄膜は、自立膜ではないので、これを平板状支持体12a、12bで挟持し、かつ、液体の蒸発を防止するために、その周囲を密閉した状態で使用するのが好ましい。但し、不揮発性の液体を充填する場合には、平板状支持体12a、12bのいずれか一方を取り外した状態で使用しても良い。さらに、液体を充填する前に、平板状支持体12a、12bのいずれか一方又は双方を、所定の光学特性を有する他の材料からなる平板状支持体で置き換えても良い。
When the amount of liquid to be filled is adjusted, a fine particle array thin film in which adjacent monodispersed fine particles come into contact with each other and all or part of the gaps between the monodispersed fine particles are filled with a predetermined liquid is obtained. Since the obtained fine particle array thin film is not a self-supporting film, it is sandwiched between the plate-
次に、本発明の第3の実施の形態に係る微粒子配列体薄膜の製造方法について説明する。本実施の形態に係る製造方法は、単分散微粒子間に固体が充填された微粒子配列体薄膜の製造方法であって、注入工程と、配列工程と、蒸発工程と、固体充填工程とを備えている。これらの内、注入工程、配列工程及び蒸発工程は、第1の実施の形態と同様であるので説明を省略する。 Next, a manufacturing method of the fine particle array thin film according to the third embodiment of the present invention will be described. The manufacturing method according to the present embodiment is a manufacturing method of a fine particle array thin film in which solids are filled between monodisperse fine particles, and includes an injection step, an alignment step, an evaporation step, and a solid filling step. Yes. Among these, injection step, aligning step及beauty evaporation step is omitted because it is similar to the first embodiment.
固体充填工程は、蒸発工程において単分散微粒子間にある分散媒を除去した後、単分散微粒子間に単分散微粒子とは異なる固体を充填する工程である。
単分散微粒子間に充填する固体は、特に限定されるものではなく、微粒子配列体薄膜の用途、要求される特性等に応じて、最適なものを選択する。充填する固体としては、上述したポリマ、セラミックス、半導体等がある。
Solid filling step, after removing the dispersion medium is between Oite monodisperse particles in the evaporation step, a step of filling the different solids and monodisperse particles between the monodisperse particles.
The solid to be filled between the monodispersed fine particles is not particularly limited, and an optimal one is selected according to the use of the fine particle array thin film, required characteristics, and the like. Examples of the solid to be filled include the polymers, ceramics, and semiconductors described above.
固体の充填方法は、固体の材質に応じて、最適なものを選択する。
例えば、固体がポリマである場合、ポリマを適当な溶媒に溶解させ、この溶液を毛細管法、滴下法等を用いて単分散微粒子間に導入し、固化させる方法が好ましい。
また、例えば、固体がセラミックス、半導体等である場合、
(1) 単分散微粒子間にアルコキシド溶液を導入し、加水分解・縮合させる方法、
(2) CVD、PVD、スパッタリング等の気相法を用いて、単分散微粒子間に固体を析出させる方法、
などがある。
The solid filling method is selected according to the solid material.
For example, when the solid is a polymer, a method in which the polymer is dissolved in an appropriate solvent, and this solution is introduced between the monodispersed fine particles using a capillary method, a dropping method, or the like, and solidified is preferable.
For example, when the solid is a ceramic, a semiconductor, etc.
(1) A method in which an alkoxide solution is introduced between monodispersed fine particles, followed by hydrolysis and condensation,
(2) A method of depositing a solid between monodisperse fine particles using a vapor phase method such as CVD, PVD, sputtering, etc.
and so on.
固体の充填条件を最適化すると、隣接する単分散微粒子が互いに接触し、かつ、単分散微粒子間の空隙の全部又は一部に所定の固体が充填された微粒子配列体薄膜が得られる。得られた微粒子配列体薄膜は、自立膜となるので、平板状支持体12a、12bの一方又は双方を取り外した状態で使用することができる。また、平板状支持体12a、12aで挟持した状態で、あるいは、平板状支持体12a、12bのいずれか一方又は双方を、所定の光学特性を有する他の材料からなる平板状支持体で置き換えた状態で、使用することもできる。さらに、単分散微粒子間の空隙の一部に所定の固体を充填した後、残りの空隙の全部又は一部に、上述した各種の液体をさらに充填しても良い。
When the solid filling conditions are optimized, a fine particle array thin film in which adjacent monodispersed fine particles are in contact with each other and all or part of the voids between the monodispersed fine particles is filled with a predetermined solid is obtained. Since the obtained fine particle array thin film is a self-supporting film, it can be used with one or both of the
次に、本発明の第4の実施の形態に係る微粒子配列体薄膜の製造方法について説明する。本実施の形態に係る製造方法は、いわゆる「逆オパール構造」を有する微粒子配列体薄膜の製造方法であって、注入工程と、配列工程と、蒸発工程と、固体充填工程と、除去工程とを備えている。これらの内、注入工程、配列工程、蒸発工程及び固体充填工程は、第3の実施の形態と同様であるので説明を省略する。 Next, a method for manufacturing a fine particle array thin film according to the fourth embodiment of the present invention will be described. The manufacturing method according to the present embodiment is a manufacturing method of a fine particle array thin film having a so-called “reverse opal structure”, and includes an injection step, an alignment step, an evaporation step, a solid filling step, and a removal step. I have. Among these, injection step, aligning step, evaporation step及 beauty solid filling process will be omitted because it is similar to the third embodiment.
除去工程は、単分散微粒子間に固体を充填した後、単分散微粒子を除去する工程である。単分散微粒子の除去方法は、単分散微粒子及びその周囲に充填された固体の材質に応じて最適なものを選択する。
例えば、単分散微粒子がポリマ粒子であり、固体がセラミックス、半導体等である場合には、除去方法として、
(1) ポリマ粒子を溶解する溶媒中に微粒子配列体薄膜を浸漬し、ポリマ粒子を抽出除去する方法、
(2) 微粒子配列体薄膜に対し、焼成処理、酸素プラズマ処理等を行い、ポリマ粒子を燃焼除去する方法、
などを用いるのが好ましい。
また、例えば、単分散微粒子がシリカ粒子であり、固体がポリマである場合には、除去方法として、(1)水酸化ナトリウム中で加熱する方法、(2)フッ化水素酸水溶液でエッチングする方法、などを用いるのが好ましい。
The removing step is a step of removing the monodispersed fine particles after filling the solids between the monodispersed fine particles. As the method for removing the monodisperse fine particles, an optimum one is selected according to the monodisperse fine particles and the solid material filled therearound.
For example, when the monodisperse fine particles are polymer particles and the solid is ceramics, semiconductor, etc., as a removal method,
(1) A method of immersing the fine particle array thin film in a solvent for dissolving the polymer particles and extracting and removing the polymer particles,
(2) A method of burning and removing polymer particles by performing firing treatment, oxygen plasma treatment, etc. on the fine particle array thin film,
Etc. are preferably used.
Further, for example, when the monodispersed fine particles are silica particles and the solid is a polymer, as a removal method, (1) a method of heating in sodium hydroxide, (2) a method of etching with an aqueous hydrofluoric acid solution , Etc. are preferably used.
単分散微粒子を除去すると、単分散微粒子間の空隙であった部分に固体が充填され、かつ、単分散微粒子であった部分に単分散微粒子の外径に等しい空孔が形成された、いわゆる「逆オパール構造」を有する微粒子配列体薄膜が得られる。得られた微粒子配列体薄膜は、自立膜となるので、平板状支持体12a、12bの一方又は双方を取り外した状態で使用することができる。また、平板状支持体12a、12aで挟持した状態で、あるいは、平板状支持体12a、12bのいずれか一方又は双方を、所定の光学特性を有する他の材料からなる平板状支持体で置き換えた状態で使用することもできる。
When the monodispersed fine particles are removed, solids are filled in the spaces between the monodispersed fine particles, and voids equal to the outer diameter of the monodispersed fine particles are formed in the portions that were the monodispersed fine particles. A fine particle array thin film having an “opposite opal structure” is obtained. Since the obtained fine particle array thin film is a self-supporting film, it can be used with one or both of the
次に、本発明に係る微粒子配列体薄膜及びその製造方法、並びに、微粒子配列体薄膜製造装置の作用について説明する。図2に、微粒子配列体薄膜製造装置10の空隙部18aに導入された微粒子分散液の状態変化の模式図を示す。微粒子配列体薄膜製造装置10の液だめ部16に微粒子分散液を注入すると、毛細管現象により空隙部18aに微粒子分散液が侵入する。この時、空隙部18a内の単分散微粒子30は、図2(a)に示すように、ランダムに分散した状態になっている。
Next, the operation of the fine particle array thin film, the manufacturing method thereof, and the fine particle array thin film manufacturing apparatus according to the present invention will be described. FIG. 2 is a schematic diagram showing a state change of the fine particle dispersion introduced into the void 18a of the fine particle array thin
この状態で所定の温度に放置すると、第1の開口部18bから微粒子分散液中の分散媒が徐々に揮発するので、空隙部18a内には、液だめ部16から第1の開口部18bに向かって、一方向の流れが発生する。これが駆動力となって、第1の開口部18b近傍に単分散微粒子30が集合する。
この時、単分散微粒子30間には、静電的な反発力が作用するので、図2(b)に示すように、第1の開口部18b近傍において、単分散微粒子30が規則配列する。また、単分散微粒子30を配列させる際の条件を最適化すると、流れの力によって単分散微粒子30が最密充填構造に堆積する。具体的には、単分散微粒子30は、所定の条件下で膜面が(111)面となり、かつ、乾燥方向が<1−10>方向となるように堆積する。
If left at a predetermined temperature in this state, the dispersion medium in the fine particle dispersion gradually volatilizes from the
At this time, since an electrostatic repulsive force acts between the monodispersed
さらに、この状態で所定の温度に保持すると、液だめ部16から微粒子分散液が逐次補給されるので、単分散微粒子30が規則配列した領域が液だめ部16側に向かって成長する。そして、所定時間経過後には、図2(c)に示すように、空隙部18a全体に微粒子配列体薄膜が形成される。
この後、(1)単分散微粒子30間に分散媒が満たされた状態のまま、第1の開口部18b及び第2の開口部18cを封止し、(2)単分散微粒子30間に残った分散媒の全部又は一部を除去し、(3)分散媒を完全に除去した後、単分散微粒子30間に液体又は固体を充填し、あるいは、(4)単分散微粒子30間に固体を充填した後、単分散微粒子30を除去すれば、本発明に係る微粒子配列体薄膜が得られる。
Further, when the temperature is maintained at a predetermined temperature in this state, the fine particle dispersion is sequentially replenished from the
Thereafter, (1) the
本発明に係る製造装置及びこれを用いた製造方法は、空隙部18a内に一方向の流れを発生させ、これを駆動力として単分散微粒子30を規則配列させているので、膜面内の結晶方位が揃った単結晶状態の薄膜が容易に得られる。また、乾燥箇所が1箇所に制限されているので、乾燥が極めてゆっくり進行する。そのため、乾燥時におけるクラックの発生密度が極めて少なく、クラックの幅も従来の方法に比べて著しく狭くなる。また、単分散微粒子が互いに接触しているので、衝撃にも強い。また、単分散微粒子30間の隙間に気体及び/又は固体が充填されている微粒子配列体薄膜にあっては、液の蒸発に起因する光学特性の経時変化がない。
In the manufacturing apparatus and the manufacturing method using the same according to the present invention, a unidirectional flow is generated in the
さらに、空隙部18aの後端側に液だめ部16が設けられているので、微粒子分散液を液だめ部16から効率よく空隙部18aに供給することができる。そのため、極めて少量の分散液から、単結晶状態に近い大面積薄膜を得ることができる。しかも、得られた薄膜は、点欠陥、積層欠陥を含むものの、単結晶に近い結晶状態を有し、多結晶状態において存在する結晶粒界は、ほとんど存在しない。また、クラックの密度も極めて少ない。そのため、可視光をブラッグ反射させるための各種光学素子に対して本発明に係る微粒子配列体薄膜を適用すれば、高い波長選択性、高い反射率などの優れた特性を発現する。
Furthermore, since the
(実施例1)
[1. 微粒子配列体薄膜製造装置の作製]
図1に示す微粒子配列体薄膜製造装置10を作製した。なお、平板状支持体12a、12b、及び、上部カバー20には、UV/オゾンクリーニングを施したスライドガラス(マツナミS−111、76×26×1mm)を用いた。また、第1のスペーサ14a、14bには、厚さ10μmの極薄両面接着テープ(日東電工製、No.5601)を用いた。さらに、第2のスペーサ22a、22bには、厚さ1mmのシリコーンシートを用いた。本実施例の場合、空隙部18aの面積は、45mm×20mmであった。
Example 1
[1. Production of fine particle array thin film manufacturing apparatus]
A fine particle array thin
[2. 微粒子配列体薄膜の作製]
単分散シリカ微粒子の水分散液((株)日本触媒製KE−W30、平均粒子径290nm))をイオン交換水にて5wt%に濃度調整し、これを微粒子配列体製造装置10の液だめ部16に注入した。注入した液量は、およそ0.3mlであった。液だめ部16に注入された微粒子分散液は、直ちに毛細管現象により空隙部18a内に侵入し、注入後、約10秒で第1の開口部18aに達した。
微粒子分散液を注入した後、液だめ部16の注入口をPARAFILM(登録商標、Perchiney Plastic Packaging, Inc.(175 Western Avenue, Neenah, WI 54956 USA)製)で密封し、室温(23℃〜25℃)に放置した。
[2. Preparation of fine particle array thin film]
The concentration of the monodispersed silica fine particle aqueous dispersion (KE-W30, manufactured by Nippon Shokubai Co., Ltd., average particle size: 290 nm) was adjusted to 5 wt% with ion-exchanged water, and this was the liquid reservoir of the fine particle
After injecting the fine particle dispersion, the inlet of the
[3. 評価]
図3に、液だめ部16に微粒子分散液を注入してから、微粒子配列体薄膜が得られるまでの過程を観察した結果を示す。この観察から、3段階の変化(状態A、B、C)を経て最終的な微粒子配列体薄膜(状態C)が形成されることがわかった。
すなわち、微粒子分散液を注入した直後は、図3(a)に示すように、空隙部18a内の分散液は透明であった。微粒子分散液を注入してから約10時間経過すると、図3(b)に示すように、空隙部18a全体がコロイド結晶特有の虹彩色(ピンク色)を示す状態Aに変化した。また、微粒子分散液を注入してから約50時間経過すると、図3(c)に示すように、空隙部18a全体が薄ピンク色を呈する状態Bに変化した。さらに、微粒子分散液を注入してから約180時間経過すると、図3(d)に示すように、空隙部18a全体が薄緑色を呈する状態Cに変化した。
[3. Evaluation]
FIG. 3 shows the result of observing the process from the injection of the fine particle dispersion into the
That is, immediately after injecting the fine particle dispersion, as shown in FIG. 3A, the dispersion in the
この状態A、B、Cの各段階に対して、角度分解反射スペクトル法を用いて反射スペクトル解析を行った。図4に、反射スペクトル解析の一例を示す。
反射スペクトル解析とは、
(1)複数の入射角で反射スペクトルを測定し(図4(a))、
(2)反射ピーク波長を測定入射角に対してプロットし(図4(b))、
(3)得られたプロットをブラッグの式(λpeak=2d(neff 2−sin2θ)1/2。d:格子面間距離、neff:有効屈折率。)でフィッティングさせ、格子面間距離dと有効屈折率neffを求める、
ことを言う。
For each stage of states A, B, and C, reflection spectrum analysis was performed using the angle-resolved reflection spectrum method. FIG. 4 shows an example of reflection spectrum analysis.
What is reflection spectrum analysis?
(1) The reflection spectrum is measured at a plurality of incident angles (FIG. 4 (a)),
(2) The reflection peak wavelength is plotted against the measured incident angle (FIG. 4 (b)),
(3) The obtained plot was fitted with the Bragg equation (λ peak = 2d (n eff 2 −sin 2 θ) 1/2, d: distance between lattice planes, n eff : effective refractive index), and the lattice plane Find the distance d and the effective refractive index n eff
Say that.
表1に、角度分解反射スペクトル測定により求められた格子面間距離dと有効屈折率neffを示す。表1より、状態Aは、シリカ微粒子が互いに接触するように、最密充填に規則配列し、その規則配列した微粒子の隙間に分散媒である水が充填された状態であることがわかった。また、状態Cは、シリカ微粒子が最密充填に規則配列し、その規則配列した微粒子の隙間に空気が充填された状態であることがわかった。さらに、状態Bは、状態Aと状態Cの中間の状態であり、規則配列した微粒子の隙間に分散媒である水が僅かに残っている状態であることがわかった。 Table 1 shows the inter-lattice distance d and the effective refractive index n eff obtained by angle-resolved reflection spectrum measurement. From Table 1, it was found that the state A is a state in which the silica fine particles are regularly arranged in close packing so that the silica fine particles are in contact with each other, and water as a dispersion medium is filled in the gaps between the regularly arranged fine particles. Further, it was found that the state C is a state in which the silica fine particles are regularly arranged in a close-packed manner, and the gaps between the regularly arranged fine particles are filled with air. Furthermore, it was found that the state B is an intermediate state between the state A and the state C, and a slight amount of water as a dispersion medium remains in the gaps between regularly arranged fine particles.
次に、得られた微粒子配列体薄膜(状態C)の粒子配列状態(結晶性)を評価した結果を示す。図5に、観察のために2枚のスライドガラスの内の片方の一枚をはずして微粒子配列体薄膜の表面を走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて観察した結果を示す。また、図6に、比較として、非特許文献1に開示されている引き上げ法で作製された微粒子配列体薄膜のSEM写真を示す。図5(a)と図6は、ほぼ同じ倍率である。
Next, the result of evaluating the particle arrangement state (crystallinity) of the obtained fine particle array thin film (state C) is shown. FIG. 5 shows the result of observing the surface of the fine particle array thin film using a scanning electron microscope (SEM) by removing one of the two slide glasses for observation. FIG. 6 shows an SEM photograph of the fine particle array thin film produced by the pulling method disclosed in
非特許文献1に開示されている微粒子配列体薄膜は、図6に示すように、20〜30μm間隔でクラックが発生していることがわかる。図6の場合、200×300μmの領域において、クラックの面積率は、8.4%であった。また、クラックの幅は、粒子直径の5〜20倍(1〜4μm)であった。
これに対し、本実施例で得られた微粒子配列体薄膜は、図5(a)に示すように、クラックの発生密度が極めて小さく、クラックの間隔も100μm程度であった。図5(a)の場合、200×300μmの領域において、クラックの面積率は1.3%であった。また、図5(b)に示すように、積層欠陥、点欠陥及び表面に付着した粒子の存在が認められるものの、結晶粒界の存在は認められず、少なくとも観察している20×30μm程度の領域が単結晶状態であることがわかる。なお、表面に付着した粒子は、スライドガラスをはがす際に付着したと考えられる。さらに、図5(c)に示すように、クラックの幅は、粒子直径の0.5〜2.0倍程度であった。
As shown in FIG. 6, the fine particle array thin film disclosed in
In contrast, as shown in FIG. 5A, the fine particle array thin film obtained in this example had a very low crack generation density and a crack spacing of about 100 μm. In the case of FIG. 5A, the area ratio of cracks was 1.3% in a 200 × 300 μm region. Further, as shown in FIG. 5 (b), although the presence of stacking faults, point defects, and particles adhering to the surface is recognized, the presence of crystal grain boundaries is not recognized, and at least about 20 × 30 μm observed. It can be seen that the region is in a single crystal state. In addition, it is thought that the particles adhering to the surface adhered when the slide glass was peeled off. Furthermore, as shown in FIG.5 (c), the width of the crack was about 0.5 to 2.0 times the particle diameter.
次に、より広い面積での結晶性の評価を行った。図7に、得られた微粒子配列体薄膜の外観写真を示す。図7中のA〜Eの印を付けた付近においてSEM観察を行い、得られた画像の10×10μmの領域について2次元フーリエ変換を行った。図8に、得られたパターンを示す。いずれのパターンも6回対称のスポットパターンを示し、かつ、パターンの中心からスポットの現れる方向がいずれのパターンもほぼ一致している。これは、図7に示したA〜Eの各地点は、いずれも微粒子が六方晶構造(最密充填構造)に配列しており、かつ、その結晶方位もほぼ揃っていることを示している。すなわち、本実施例で得られた微粒子配列体薄膜は、膜面内の結晶方位が揃っており、単結晶状態に近いものであることを示している。 Next, the crystallinity of a wider area was evaluated. FIG. 7 shows an appearance photograph of the obtained fine particle array thin film. SEM observation was performed in the vicinity of the marks A to E in FIG. 7, and a two-dimensional Fourier transform was performed on a 10 × 10 μm region of the obtained image. FIG. 8 shows the obtained pattern. Each pattern shows a 6-fold symmetrical spot pattern, and the direction in which the spot appears from the center of the pattern is almost the same. This indicates that at each point of A to E shown in FIG. 7, the fine particles are arranged in a hexagonal crystal structure (closest packed structure), and the crystal orientation is almost uniform. . That is, the fine particle array thin film obtained in this example has a uniform crystal orientation in the film plane, indicating that it is close to a single crystal state.
(比較例1)
単分散シリカ微粒子の水分散液((株)日本触媒製KE−W30、平均粒子径290nm))をイオン交換水にて5wt%に濃度調整し、これをUV/オゾンクリーニングを施したスライドガラス(マツナミS−1111、76×26×1mm)上にスポイトを用いて1滴滴下し、室温で乾燥させることにより、微粒子配列体薄膜を作製した。
図9に、作製された微粒子配列体薄膜のSEM写真を示す。図9より、わずか20×30μm程度の領域においても、結晶粒界の存在が認められ、得られた薄膜が多結晶状態であることがわかる。
(Comparative Example 1)
An aqueous dispersion of monodispersed silica fine particles (KE-W30, manufactured by Nippon Shokubai Co., Ltd., average particle size: 290 nm)) was adjusted to a concentration of 5 wt% with ion-exchanged water, and this was subjected to UV / ozone cleaning slide glass ( One drop was dropped on a matsunami S-1111 (76 × 26 × 1 mm) using a dropper and dried at room temperature to prepare a fine particle array thin film.
FIG. 9 shows an SEM photograph of the prepared fine particle array thin film. FIG. 9 shows that the presence of crystal grain boundaries is observed even in a region of only about 20 × 30 μm, and the obtained thin film is in a polycrystalline state.
実施例1及び比較例1において得られた微粒子配列体薄膜について、反射スペクトルを測定した。測定には、(株)相馬光学製のマルチチャンネル型分光器S−2650を用い、入射光にはハロゲンランプを使用し、薄膜表面の法線から計った入射角9°、検出角9°にて、300〜1000nmの波長範囲を測定した。図10に、その結果を示す。なお、図10の縦軸は、Alミラーからの反射率を100%とした際の反射率で表した。
図10より、実施例1で作製された微粒子配列体薄膜の方が反射率が高く、かつ、反射ピークの半値幅も小さく、特定の波長を反射する光フィルタとしての特性が優れていることがわかる。これは、実施例1で得られた微粒子配列体薄膜の結晶性が優れていることに起因している。
The reflection spectrum of the fine particle array thin film obtained in Example 1 and Comparative Example 1 was measured. For the measurement, a multi-channel type spectrometer S-2650 manufactured by Soma Optical Co., Ltd. was used, a halogen lamp was used for incident light, and the incident angle measured from the normal of the thin film surface was 9 ° and the detection angle was 9 °. Then, a wavelength range of 300 to 1000 nm was measured. FIG. 10 shows the result. In addition, the vertical axis | shaft of FIG. 10 was represented by the reflectance when the reflectance from an Al mirror is 100%.
As shown in FIG. 10, the fine particle array thin film prepared in Example 1 has higher reflectance and a smaller half-value width of the reflection peak, and has excellent characteristics as an optical filter that reflects a specific wavelength. Recognize. This is due to the excellent crystallinity of the fine particle array thin film obtained in Example 1.
(実施例2)
実施例1と同様の手順に従い、液だめ部16に微粒子分散液を注入し、室温で乾燥させた。乾燥を始めてからおよそ10時間経過し、空隙部18a全体が図3(b)に示した状態Aになったところで、液だめ部16に残った微粒子分散液を除去した。さらに、紫外線硬化樹脂を用いて第1の開口部18b及び第2の開口部18cを封止し、微粒子が最密充填に配列し、その隙間が水で満たされた微粒子配列体薄膜を得た。
(Example 2)
In accordance with the same procedure as in Example 1, the fine particle dispersion was poured into the
図11に、得られた微粒子配列体薄膜の外観写真を示す。微粒子配列体薄膜を構成するシリカ粒子の屈折率が1.45、媒質の水の屈折率が1.33であり、微粒子の周囲が空気(屈折率:1.0)で満たされた実施例1の微粒子配列体薄膜に比べて、微粒子と媒質との屈折率差が小さくなっているので、微粒子による光の散乱の影響が少なく、可視光透過性の高い薄膜が得られていることがわかる。
図12に、本実施例で得られた微粒子配列体薄膜について測定された反射スペクトルを示す。測定条件は、実施例1と同一とした。本実施例では、平均粒子径290nmのシリカ微粒子を用いたため、反射ピーク波長が赤外領域にある。これは、本実施例で得られた微粒子配列体薄膜が、可視光に対して透明で、赤外光を反射する赤外反射膜に応用できる可能性があることを示している。また、より小さい粒子径の微粒子を用いることで、可視光領域のある特定の波長の光を反射し、かつ、その他の波長の光の透過性が高い光フィルター膜を作製することも可能であることを示している。
FIG. 11 shows an appearance photograph of the obtained fine particle array thin film. Example 1 in which the refractive index of silica particles constituting the fine particle array thin film is 1.45, the refractive index of water of the medium is 1.33, and the periphery of the fine particles is filled with air (refractive index: 1.0) Compared with the fine particle array thin film, the difference in refractive index between the fine particles and the medium is small, so that it is found that a thin film having high visible light permeability is obtained with little influence of light scattering by the fine particles.
FIG. 12 shows a reflection spectrum measured for the fine particle array thin film obtained in this example. The measurement conditions were the same as in Example 1. In this example, since silica fine particles having an average particle diameter of 290 nm are used, the reflection peak wavelength is in the infrared region. This indicates that the fine particle array thin film obtained in this example may be applicable to an infrared reflecting film that is transparent to visible light and reflects infrared light. In addition, by using fine particles having a smaller particle diameter, it is possible to produce an optical filter film that reflects light of a specific wavelength in the visible light region and has high transmittance of light of other wavelengths. It is shown that.
(実施例3)
実施例1と同一の手順に従い、微粒子間が空気で満たされた微粒子配列体薄膜を作製した後、第1の開口部18bから水を充填し、実施例2と同一の構造を有する微粒子配列体薄膜を作製した。得られた微粒子配列体薄膜について実施例2と同一の条件下で反射スペクトルを測定したところ、図示はしないが、実施例2と同等の反射スペクトルを示した。
(Example 3)
In accordance with the same procedure as in Example 1, after preparing a fine particle array thin film filled with air between the fine particles, the fine particle array having the same structure as in Example 2 was filled with water from the
(実施例4)
実施例1と同一の手順に従い、液だめ部16に微粒子分散液を注入し、室温で乾燥させた。乾燥を始めてからおよそ10時間経過し、空隙部18a全体が図3(b)に示した状態Aになったところで、溶液全体を液体窒素で凍結させ、その後、真空乾燥機に入れ、凍結乾燥を行った。凍結乾燥を始めてから24時間後に取り出したところ、図3(d)に示す状態Cと同様の状態に変化しており、微粒子と空気により構成される微粒子配列体薄膜の形成が認められた。凍結乾燥を利用することで、40時間足らずで、微粒子分散液から、微粒子と空気とで構成される微粒子配列体薄膜を作製することができた。
Example 4
In accordance with the same procedure as in Example 1, the fine particle dispersion was poured into the
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
本発明に係る微粒子配列体薄膜は、ナローバンドフィルタ等の光学素子、フォトニック結晶として期待されている逆オパール構造の微粒子配列体薄膜を得るためのテンプレートとして用いることができる。 The fine particle array thin film according to the present invention can be used as a template for obtaining an optical element such as a narrow band filter and a reverse opal structure fine particle array thin film expected as a photonic crystal.
Claims (20)
膜面内の結晶方位が揃った周期構造を有し、
クラックの面積率が8%以下であり、かつ、
前記薄膜の大きさが45mm×20mm以上である
微粒子配列体薄膜。 It has a thin film in which monodisperse fine particles are regularly arranged.
Have a uniform periodic structure crystal orientation in the film plane,
The area ratio of cracks is Ri der than 8%, and,
The fine particle array thin film, wherein the thin film has a size of 45 mm x 20 mm or more .
該2枚の平板状支持体の少なくとも両端を密封し、前記2枚の平板状支持体の間に空隙部を形成し、かつ、前記2枚の平板状支持体の先端に第1の開口部を形成するための一対のスペーサと、
前記2枚の平板状支持体の後端側に設けられた、単分散微粒子を分散させた微粒子分散液を保持するための液だめ部と、
を備えた微粒子配列体薄膜製造装置。 One becomes the lower surface, as the other is the upper surface side, two flat plate-like support which face each other with a spacing of Jo Tokoro,
At least both ends of the two flat plate supports are sealed, a gap is formed between the two flat plate supports, and a first opening is formed at the tip of the two flat plate supports. A pair of spacers for forming
A reservoir portion for holding a fine particle dispersion in which monodisperse fine particles are dispersed, provided on the rear end side of the two plate-like supports;
A fine particle array thin film manufacturing apparatus comprising:
前記液だめ部に前記微粒子分散液を注入する注入工程と、
前記空隙部内において前記単分散微粒子を配列させる配列工程と、
を備えた微粒子配列体薄膜の製造方法。 A method for producing a fine particle array thin film using the fine particle thin film production apparatus according to any one of claims 11 to 13,
An injection step of injecting the fine particle dispersion into the liquid reservoir;
An arranging step of arranging the monodispersed fine particles in the voids;
A method for producing a fine particle array thin film comprising:
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