光触媒ナノリソグラフィの開発

光催化纳米光刻技术的发展

基本信息

批准号：
17029027
负责人：
小林健吉郎
金额：
$ 2.24万
依托单位：
Shizuoka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
财政年份：
2005
资助国家：
日本
起止时间：
2005 至 2006
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究は原子像を直接観察できる原子間力顕微鏡を用いて、局所的に電場を印加して光触媒反応を加速させ、有機薄膜にナノスケールのパターニングを形成させることを検討した。また、得られたナノパターンを、光触媒反応で高速かつ高精度で転写する手法についても検討した。AFMで作成されたナノパターンを転写する光触媒薄膜の作成を検討した。数nm以下の表面粗さを持つ薄膜として、非晶質のTiO2,SnO2,In2O3,NiOを原子層堆積法(ALD)法ならびにスパッタリング法により作成した。ALDで作成した非晶質TiO2は残念ながら光触媒能を持たなかった。非晶質In2O3,NiOも高い光触媒能を示さず、非晶質SnO2が比較的良好な光触媒能を示した。更に光触媒能を高めるため、キャリア濃度の異なるSnO2薄膜を3層構造にし、フェルミー準位の違いによる内部電場の生成を試みた。その結果、3層構造SnO2は非晶質で表面荒さが1nm以下でありながら、結晶性アナターゼTiO2と同等の光触媒機能を示すことが明らかになった。この3層構造SnO2を用いてパターン形成を行い、OTS/Siに転写することを試みた。30minの紫外線照射により、OTSの表面に変化は現れたが、不十分なパターン形成となった。こうしたOTSの分解速度に関する実験から、非晶質SnO_2の光触媒能は余りにも低く、実用には適しないことが明らかになった。そこで、新たにスパッタリング法により非晶質TiO_2,Nb_2O_5,Ga_2O_3薄膜の作成を行い、光触媒能とOTSの分解反応を評価した。これ等の薄膜のXRDパターンには、何らの回折ピークも見られず、非晶質あるいはナノクリスタルであることが分かる。また、AFMによる表面形態観察からも全く粒子成長は起こっておらす、平坦な表面であることが確認された。OTSとSiは最初96及び55°の接触角を持っている。SnO_2ではほとんど接触角は変化していないが、Ga_2O_3,TiO_2,Nb_2O_5では、大きな接触角変化が認められる。特に、TiO_2では高い酸素分圧と低真空3x10-2Torrで作成した試料では、紫外線照射5分以内でOTSの完全分解が実現している。これは、高真空状態ならびに大きな高周波出力では、ターゲットから放出された酸素負イオンが薄膜に打ち込まれ、欠陥準位を形成するためである。注目すべき点は、非晶質でありながら高い光触媒を有することであり、酸化チタンナノクリスタルの存在が示唆される。この非晶質TiO2を用いてパターンの転写を検討したところ、30秒の紫外線照射でOTSの部分分解が起こり始め、パターンの転写が進むことを確認された。しかし、パターンの空間分解能は充分でなく、その原因として生成したH2O2が光照射によりOHラジカルを生じためと考えられる。

这项研究使用原子力显微镜进行了研究，该原子力显微镜可以直接观察原子图像，并局部应用电场来加速光催化反应，从而在有机薄膜上形成纳米级图案。此外，还研究了一种快速转移所获得的纳米文素的方法，并通过光催化反应高精度。我们研究了传递由AFM创建的纳米图案的光催化薄膜的制备。通过原子层沉积（ALD）和溅射，制备了无定形的TiO2，SNO2，IN2O3和NIO作为薄膜，表面粗糙度小于几nm。不幸的是，ALD产生的无定形TIO2没有光催化能力。无定形IN2O3和NIO也没有高光催化能力，而无定形SNO2具有相对较好的光催化能力。此外，为了提高光催化能力，我们通过使用具有不同载流子浓度的SNO2薄膜的三层结构来尝试创建内部电场。结果，据揭示了三层SNO2结构是无定形的，粗糙表面小于1 nm，但表现出与结晶酶TiO2等效的光催化功能。使用此三层SNO2形成了该图案，并试图将图案传输到OTS/Si。尽管由于紫外线照射30分钟，在OT的表面上出现了变化，但图案发生不充分。这些关于OTS分解速率的实验表明，无定形SNO_2的光催化能力太低，不适合实际使用。因此，通过溅射以评估OT的光催化能力和分解反应，新制备了无定形的TIO_2，NB_2O_5和GA_2O_3薄膜。在这些薄膜的XRD图案中未观察到衍射峰，可以看出它们是无定形或纳米晶体的。此外，使用AFM对表面形态的观察证实，表面是平坦的，没有发生颗粒生长。 OT和SI最初的接触角为96和55°。尽管在SNO_2中几乎不更改接触角，但在GA_2O_3，TIO_2和NB_2O_5中观察到了较大的接触角变化。特别是，在TIO_2中，可以在紫外线辐照的5分钟内完成OT的完全分解，该样品在具有高氧的高压力和3x10-2Torr的低真空中制备的样品。这是因为在高真空和高频输出中，从目标释放的负氧离子被植入薄膜中，形成缺陷水平。值得注意的是，它具有高光催化剂，同时是无定形的，这表明存在氧化钛纳米晶体。当使用该无定形TIO2检查模式的转移时，可以证实，在紫外线照射30秒后，OT的部分分解开始发生，并且模式的转移进行了。但是，该模式的空间分辨率不够，并且据信，生成的H2O2在光照射后会产生OH自由基。