2017年10月30日

成果のポイント

・これまで、金属酸化物ナノワイヤのVLS法※1による合成には600℃以上の高温が必要だったが、原料の供給レートを厳密に制御することにより400℃以下という低温で合成することに成功した。
・熱的に不安定な基板上にも金属酸化物ナノワイヤをVLS法により合成可能になった。
・本研究で見出したナノワイヤの低温合成方法は、様々な金属酸化物に適用可能である。

概要

大阪大学産業科学研究所の竹田精治教授・吉田秀人准教授らの研究グループと九州大学先導物質化学研究所の柳田剛教授らの研究グループは、金属酸化物ナノワイヤをVLS法により合成する際の温度を下げる手法を開発しました。

金属酸化物ナノワイヤは太陽電池、リチウムイオンバッテリー、スーパーキャパシタ※2、不揮発性メモリなど、様々な用途への応用が期待されています。

VLS法は高品質な金属酸化物ナノワイヤを合成することのできる手法ですが、合成に必要な温度の高さ(600~1000℃)が問題です。今回、研究グループは原料の供給レートを厳密に制御することで、金属酸化物ナノワイヤを400℃以下の低温で合成することに成功しました。本手法を用いることで、様々な金属酸化物の高品質ナノワイヤを熱的に不安定な基板上にも合成することが可能となります。これにより、金属酸化物ナノワイヤの応用範囲を広げることが期待されます。

研究の背景・内容

金属酸化物ナノワイヤは太陽電池、リチウムイオンバッテリー、スーパーキャパシタ、不揮発性メモリ、触媒など、様々な用途への応用が期待されています。合成位置やサイズを制御し、かつ高品質なナノワイヤの合成法の確立が求められています。

VLS法は、様々な機能性無機材料の良質な単結晶を合成することを可能にします。また、合成時の核となる金属ナノ粒子の位置とサイズを制御することで、ナノワイヤの成長位置と直径を制御することもできます。このような優れた特徴は、水熱合成などの他のナノワイヤ合成法では得難いものです。しかしながら、これまで、VLS法により金属酸化物ナノワイヤを合成するには、600~1000℃の高温が必要でした。熱的に不安定な基板上にナノワイヤを合成するために、合成温度の低下が求められていました。

今回研究グループは、金属酸化物ナノワイヤのVLS法による合成において、原料の供給レートと合成温度を系統的に変えたときの生成物を調べることで(図1,図2)、金属酸化物ナノワイヤの低温合成条件を発見しました。

図1 金属酸化物ナノワイヤの VLS 法による低温合成の概略図。原料供給レートを小さくすることで合成温度下げることができる。

図2 (a)温度とSn供給レートを変えて合成したSnO2ナノワイヤの走査型電子顕微鏡像。(b)SnO2 ナノワイヤの高分解能透過型電子顕微鏡像。

本研究成果が社会に与える影響(本研究成果の意義)

本研究成果により、金属酸化物ナノワイヤをVLS法により低温合成することが可能になり、熱的に不安定な基板上にも、高品質な金属酸化物ナノワイヤを合成可能になりました。今後、太陽電池、リチウムイオンバッテリー、触媒など、様々な用途への応用が期待されます。

特記事項

本研究成果は、米国化学会発行の「Nano Letters」に公開されました。

タイトル:“ Rational Concept for Reducing Growth Temperature in Vapor−Liquid−Solid Process of Metal Oxide Nanowires”
著者名:Zetao Zhu, Masaru Suzuki, Kazuki Nagashima, Hideto Yoshida, Masaki Kanai, Gang Meng, Hiroshi Anzai, Fuwei Zhuge, Yong He, Mickael Boudot, Seiji Takeda, and Takeshi Yanagida

なお、本研究は、JST-CREST、ImPACT、KAKENHI (No.26706005, No.16H00969, No.15K13288, No.15H03528, No.26220908)、「物質・デバイス領域共同研究拠点」・「人・環境と物質をつなぐイノベーション創出ダイナミック・アライアンス」、および統合物質創製化学研究推進機構の支援のもと行われました。

用語解説

※1 VLS法
気相(Vapor)状態で供給した原料が、液相(Liquid)を経て固相(Solid)として成長する、結晶合成方法。液化した金属ナノ粒子に気相から原料が供給され、ナノ粒子中で過飽和になった原料が固体として吐き出されることで、金属ナノ粒子を先端にのせたナノワイヤが合成される。

※2 スーパーキャパシタ
電気二重層コンデンサともいう。電極の表面に電気二重層を形成し電気を貯めることができる。電池と比べて高速充放電が可能で充放電サイクル寿命に優れているという特徴がある。

参考URL

大阪大学 産業科学研究所 産業科学ナノテクノロジーセンター ナノ構造・機能評価研究分野
http://www.sanken.osaka-u.ac.jp/labs/nnf/index.html

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