1 有機物 生体分子等の吸着に 優れた突起 / 細孔形状ナノ粒子 東京電機大学工学部電気電子工学科 教授 佐藤慶介
研究分野の概要 半導体ナノ粒子 ( 量子ドット ) の応用例 http://weblearningplaza.jst.go.jp/ maintenance.html http://www.jaist.ac.jp/ricenter/pam ph/maenosono/maenosono01.pdf http://blogs.yahoo.co.jp/miyabiman_ now/25505867.html LED 技術を用いた EL ディスプレイ http://j-net21.smrj.go.jp/develop/techno/entry/ 2010010701.html F. Erogbogbo et al., ACS Nano, 4, 5131 (2010). https://www.sigmaaldrich.com/japan/materialscience/ nano-materials/lumidots/quantumdot-display.html http://www.ifs.tohoku.ac. jp/samukawa/previous/s hinbun110621.html http://www.nrel.gov/ncpv/ 2
石英ガラス 表面電極正孔輸送層 光電変換層 電子輸送層 裏面電極 ナノ構造体を利用した無機 / 有機太陽電池 電気自動車ダイムラー社 ( ドイツ ) サンシェード仙台市震災復興計画事業 ルーフ JR 東日本 η=3.0% http://news.livedoor.com/ article/detail/5836037/ http://ibumai.jp/2012/02/1 06_1_0229_dm1408_1.html p 型ポリマーと n 型シリコンナノ粒子のハイブリッド化 耐久性に強く 光吸収帯域を拡張できる シリコンナノ粒子の利用 http://monoist.atmarkit.co.jp/mn/ articles/1201/26/news097.html ポリマーとナノ粒子からなる pn 界面をより拡張で きれば エネルギー変換効率を向上できる 3
ナノ構造体を利用したリチウムイオン二次電池 負極材料としてグラファイトを使用 材料グラファイトシリコン 最大容量 (mah/g) 370 4200 ( 理論値 ) シリコンの場合 リチウムイオン挿入時の体積膨 張により充放電サイクル 寿命が低い リチウム含有金属酸化物 (LiCoO 2 ) グラファイト http://inorg777.apchem.ues.tmu.ac.jp/japanese/research/lithiumintro.html シリコン領域内に異物を混入できる空間があれば 充放電サイクル寿命を改善できる 4
従来技術 ナノ粒子を用いた微細孔構造の製造技術 ナノ粒子を CH 系分子 で被覆ナノ粒子 CH 系分子 ナノ粒子を塗布し CH 系分子を焼成 ナノ粒子間に微細孔を 生成 5 μm 微細孔構造の表面 SEM 写真 5
従来技術とその問題点 ナノ粒子表面への一様な分子修飾が必要 微細孔のサイズ制御が不可能 微細孔の高密度化に大量の表面修飾粒子が 必要 微細孔の形状制御が不可能 応用用途に最適な形状加工が不可能ナノ粒子表面へのナノデザイン加工 微細孔 微細突起の形状制御技術の確立 6
新技術 安価かつ簡便な溶液プロセス手法の採用 ナノ粒子分散 不純物添加 シリコンナノ粒子 (100 nm) リン含有添加剤 ボロン含有添加剤 不純物添加剤 金属含有溶剤 フッ化水素酸 過酸化水素 硝酸 超音波ホモジナイザー装置 高温加熱装置 エッチング溶媒 7
新技術を用いた微細孔形成方法の特長 シリコンナノ粒子 金属イオンの還元反応に注目!! シリコン内に存在する電子数 の制御 電子数 多数 : リン添加少数 : ボロン添加 微細孔形状の制御が可能 金属 + 金属 + 金属 + HF SiF 6 2- シリコン e - (1) 金属の核形成 - - - -金属- e - SiO 2 (2) 金属ナノ粒子の生成による界面の局所酸化 - - - - - 金属 (2) (3) の繰り返し (3) HFによる酸化領域のエッチングとシリコン内への金属ナノ粒子の降下 8
新技術を用いた微細孔形成方法 不純物添加していない場合 破砕ホーン エタノール HF/ 金属含有溶剤 / 純水混合溶液 HF/H 2 O 2 / 純水混合溶液 シリコンナノ粒子 (100 nm) 超音波ホモジナイザー処理 ナノ粒子の分散 硝酸 シリコンナノ粒子 撹拌子 ナノ粒子表面への金属ナノ粒子形成 撹拌子 ナノ粒子表面への微細孔形成 微細孔サイズ : 29 nm ナノ粒子に付着した金属の除去 50 nm 微細孔を有するナノ粒子比表面積 :40 m 2 /g 9
微細孔状態を変えるための方法 シリコン領域の電子数の制御 リン添加 金属 + 金属 + 金属 + 金属 + 金属 + - - - -金属- P e - SiO 2 - - - -金属- P e - SiO 2 - - - -金属- P e - SiO 2 - - - -金属- リン添加による金属ナノ粒子の生成 ボロン添加 金属 + 金属 + - - - -金属- e - SiO 2 B B B ボロン添加による金属ナノ粒子の生成 P e - SiO 2 金属 + 金属 + - - - -金属- (2) 金属ナノ粒子の生成による界面の局所酸化 電子の存在する領域 で金属イオンの生 成が活性化 e - SiO 2 微細孔状態の制御を達成 10
新技術を用いた微細孔形成方法 導電性 2.27 ms リン不純物を添加した場合 アンドープ 67.5 μs 破砕ホーン 破砕ホーン エタノール シリコン ナノ粒子 シリコン ナノ粒子 100 nm 超音波ホモジ ナイザー処理 高温加熱処理 シリコンナノ粒子 内へのリン添加 ナノ粒子の分散 HF/金属含有溶剤/ 純水混合溶液 撹拌子 リン含有 添加剤 HF/H2O2/純水 混合溶液 撹拌子 リン添加 シリコン ナノ粒子 エタノール 超音波ホモジ ナイザー処理 ナノ粒子の分散 微細孔サイズ: 25 nm 硝酸 100 nm ナノ粒子表面への ナノ粒子表面への ナノ粒子に付着 微細孔を有す 比表面積 金属ナノ粒子形成 微細孔形成 した金属の除去 るナノ粒子 40 m2/g以上 11
新技術を用いた微細孔形成方法 導電性 2.16 ms ボロン不純物を添加した場合 アンドープ 67.5 μs 破砕ホーン 破砕ホーン エタノール シリコン ナノ粒子 シリコン ナノ粒子 100 nm 超音波ホモジ ナイザー処理 高温加熱処理 シリコンナノ粒子 内へのボロン添加 ナノ粒子の分散 HF/金属含有溶剤/ 純水混合溶液 撹拌子 ボロン含 有添加剤 リン添加 シリコン ナノ粒子 HF/H2O2/純水 混合溶液 硝酸 エタノール 超音波ホモジ ナイザー処理 ナノ粒子の分散 微細孔サイズ: 45 nm 微細突起サイズ: 33 nm 撹拌子 ナノ粒子表面への ナノ粒子表面への ナノ粒子に付着 微細孔を有す 金属ナノ粒子形成 微細孔形成 した金属の除去 るナノ粒子 100 nm 12
新技術を用いた微細突起形成方法の特長 シリコンナノ粒子 酸化反応に注目!! シリコン領域の制御 シリコン領域 多 : ボロン添加少 : リン添加 微細突起形状の制御が可能 シリコン SiO 2 (1) 酸化層の形成 酸化反応 (2) HF による酸化領域のエッチング Si+2H 2 O 2 SiO 2 +2H 2 O (1) (2) の繰り返し 溶解反応 SiO 2 +4HF SiF 4 +2H 2 O, SiF 4 +2HF H 2 SiF 6 13
新技術を用いた微細突起形成方法 ボロン不純物を添加した場合 破砕ホーン 破砕ホーン エタノール シリコン ナノ粒子 シリコン ナノ粒子 100 nm 超音波ホモジ ナイザー処理 高温加熱処理 シリコンナノ粒子 内へのボロン添加 ナノ粒子の分散 HF/金属含有溶剤/ 純水混合溶液 撹拌子 ボロン含 有添加剤 リン添加 シリコン ナノ粒子 HF/H2O2/純水 混合溶液 硝酸 エタノール 超音波ホモジ ナイザー処理 ナノ粒子の分散 微細孔サイズ: 45 nm 微細突起サイズ: 33 nm 撹拌子 ナノ粒子表面への ナノ粒子表面への ナノ粒子に付着 微細孔を有す 金属ナノ粒子形成 微細孔形成 した金属の除去 るナノ粒子 100 nm 14
15 新技術の特徴 従来技術との比較 ナノ粒子表面へのナノデザイン加工 ( 微細孔 微細突起 ) を実現 不純物濃度により微細孔のサイズ 比表面 積を自在に制御可能 不純物添加による導電性機能を付加 製造装置の容量に依存するが 数時間で高 い生産性と安価な製造コストを実現 ( 粒 子収量は数 10mg/ バッチ )
想定される用途 無機 / 有機ハイブリッド太陽 電池の pn 光電変換材料 リチウムイオン二次電池の 負極材料 生体内の悪性タンパク質の 吸着材料 表面電極 基板 裏面電極 リチウム含有金属酸化物 (LiCoO 2 ) p 型有機材料 n 型多孔質 Si ナノ粒子 容量 :C:370mAh/g Si:4200 mah/g 多孔質 Si ナノ粒子 http://inorg777.apchem.ues.tmu.ac.jp/japanese/ research/lithiumintro.html https://www.amed.go.jp/news/release_20170503.html 16
17 実用化に向けた課題 微細孔 / 微細突起のサイズ 比表面積の更なる最適化 微細孔 / 微細突起を有するナノ粒子の導電率 の更なる最適化 応用用途に最適な形状加工の検討 微細孔 / 微細突起を有するナノ粒子を用いた無機 / 有機ハイブリッド太陽電池 リチウムイオン二次電池の性能評価
18 企業への期待 材料製造 ナノ加工を行っている企業との共同研究もしくは連携を希望する ナノ構造体を用いた太陽電池 リチウム イオン二次電池を開発中の企業やこれらの電池の使用を考えている企業との共同研究もしくは連携を希望する
19 本技術に関する知的財産権 発明の名称 : 微細突起および微細孔を有する 機能性シリコンナノ粒子の製造 方法 出願番号 出願人 :10 月出願予定 : 学校法人東京電機大学 発明者 : 佐藤慶介他
20 産学連携の経歴 2005 年 -2007 年 2006 年 -2007 年 2007 年 -2008 年 2008 年 -2009 年 2013 年 -2014 年 2016 年 -2017 年 大手電機 製造メーカーと研究実施 大手電機メーカーと共同研究実施 大手電機メーカーと研究実施 電機メーカーと研究実施 大手電機メーカーと共同研究実施 製造メーカーと共同研究実施 JST 研究成果展開事業マッチンク フ ランナーフ ロク ラムに採択
21 お問い合わせ先 東京電機大学 研究コーディネーター安江準二 TEL FAX e-mail 03 5284 5225 03 5284 5242 crc@jim.dendai.ac.jp
ご清聴ありがとうございました 22