JP2014208395A - 微小構造体、電子素子、及び微小構造体の製造方法 - Google Patents

微小構造体、電子素子、及び微小構造体の製造方法 Download PDF

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正三 新宮原
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Abstract

【課題】 単位体積あたり十分な表面積を有する微小構造体などを提供することを課題とする。【解決手段】 基材の表面に形成され金属を含む微小構造体であって、一端が前記基材側に配され他端側へ向かうほど前記基材から離れるように配された第一棒状部と、該第一棒状部の一部から延びる第二棒状部とを備えていることを特徴とする微小構造体などを提供する。【選択図】 図4

Description

本発明は、例えば、ガスセンサ素子などの電子素子等に用いられる微小構造体、該微小構造体を含む電子素子、及び微小構造体の製造方法に関する。
従来、微小構造体としては、様々なものが知られており、例えば、基材の表面に形成された棒状物を備え、該棒状物の長さが50μm以下であり太さが数十nmのものが知られている。
この種の微小構造体としては、例えば、基材の表面に立つように配された棒状物のみを備え、該棒状物が構成成分としてマンガン酸化物を含んでいるものなどが知られている(特許文献1)。
上記の微小構造体は、長さが数十μm程度であって太さが数十nm程度の棒状物(いわゆるナノワイヤ)のみを備えており、単位体積あたりの表面積が、例えば、球状に形成されたものよりも大きい。
従って、上記の微小構造体は、例えば、比較的大きい単位体積あたりの表面積を必要とされる電子素子を構成する部材などとして用いられ得る。電子素子としては、例えばガスセンサ素子が挙げられ、ガスセンサ素子においては、ガス検知感度を優れたものとするために、ガスと反応する表面の面積ができる限り大きい微小構造体が必要とされる。
しかしながら、上記の微小構造体は、上述した棒状物のみを備えていることから、単位体積あたりの表面積が必ずしも十分なものでないという問題を有する。
特開2011−183526
本発明は、上記の問題点等に鑑み、単位体積あたり十分な表面積を有する微小構造体及び電子素子を提供することを課題とする。また、単位体積あたり十分な表面積を有する微小構造体を得ることができる微小構造体の製造方法を提供することを課題とする。
本発明の微小構造体は、基材の表面に形成され金属を含む微小構造体であって、
一端が前記基材を向き他端側へ延びるほど前記基材から離れるように配された第一棒状部と、該第一棒状部の一部から延びる第二棒状部とを備えていることを特徴とする。
本発明の微小構造体においては、前記第一棒状部の長手方向に対する、前記第二棒状部の長手方向の角度が、70〜110°であることが好ましい。
本発明の微小構造体は、前記第一棒状部の一部から延びる複数の前記第二棒状部を備えていることが好ましい。
本発明の微小構造体においては、前記複数の第二棒状部が、前記第一棒状部の一端側から他端側へ向けて見たときに、前記第一棒状部の一部から放射状に延びていることが好ましい。
本発明の微小構造体は、前記第二棒状部の一部から延びる第三棒状部をさらに備えていることが好ましい。
本発明の微小構造体においては、前記金属が複数種の金属であることが好ましい。
本発明の微小構造体は、前記金属としての銅及びスズを含み、銅とスズとの原子数比が、Cu:Sn=75:25〜87:13であることが好ましい。
本発明の電子素子は、前記微小構造体の複数を含むことを特徴とする。本発明の電池用電極は、前記微小構造体の複数を含むことを特徴とする。
本発明の微小構造体の製造方法は、前記微小構造体の製造方法であって、
前記金属の塩を含むめっき液に浸漬した前記基材にめっき処理を施す工程を有することを特徴とする。
本発明の微小構造体、電子素子、及び電池用電極は、単位体積あたり十分な表面積を有するという効果を奏する。本発明の微小構造体の製造方法は、単位体積あたり十分な表面積を有する微小構造体を得ることができるという効果を奏する。
微小構造体を模式的に表した模式図。 複数の微小構造体を含む電子素子を模式的に表した模式図。 複数の微小構造体を含む電子素子を模式的に表した模式図。 微小構造体の電子顕微鏡写真。 微小構造体の電子顕微鏡写真。 微小構造体の電子顕微鏡写真。 微小構造体の電子顕微鏡写真。 微小構造体の電子顕微鏡写真。 微小構造体の電子顕微鏡写真。 微小構造体の電子顕微鏡写真、及び、元素分析の結果。 微小構造体の電子顕微鏡写真。
以下、本発明に係る微小構造体の一実施形態について、図面を参照しつつ詳しく説明する。
図1は、本実施形態の微小構造体の一例を模式的に表した模式図である。図1(a)は、基材表面に垂直な方向に切断した微小構造体の断面を模式的に表し、図1(b)は、微小構造体側から基材側へ向けて微小構造体を見た様子を模式的に表している。
本実施形態の微小構造体5は、金属を含み基材6の表面に形成された微小構造体5であって、
一端が前記基材6を向き他端側へ延びるほど前記基材6から離れるように配された第一棒状部1と、該第一棒状部1の一部から延びる第二棒状部2とを備えているものである。
本実施形態の微小構造体5は、図1に示すように、第一棒状部1の一部から延びる第二棒状部2を複数備えている。
本実施形態の微小構造体5においては、例えば図1に示すように、前記第一棒状部1の一端側から他端側へ向けて見たときに、前記複数の第二棒状部2が、前記第一棒状部1の一部から外方へ向けて放射状に延びている。
前記微小構造体5においては、通常、第一棒状部1の長手方向長さが1〜500μmであり、第二棒状部2の長手方向長さが0.5〜250μmである。
また、第一棒状部1の太さが、通常、10〜1000nmであり、第二棒状部2の太さが、通常、10〜1000nmである。
前記第一棒状部1は、一端が基材6側に配され他端側へ向かうほど基材6から離れるように配されている。第一棒状部1は、図1に示すように、通常、まっすぐに延びている。即ち、前記第一棒状部1は、通常、直棒状である。
前記第一棒状部1は、基材表面において、例えば、一端が基材6の表面と接し、他端側へ向かうほど基材6から離れるように配されている。前記第一棒状部1は、通常、基材6の表面に立つように配されている。また、前記第一棒状部1においては、通常、前記一端側よりも前記他端側が細くなっている。
前記第一棒状部1と基材6の表面との間の角度は、通常、70〜110°である。即ち、斯かる角度は、鋭角及び直角で表したときに、70〜90°である。
前記微小構造体5においては、第一棒状部1の一端側から他端側へ向けて見たときに、第一棒状部1の一部から外方へ向けて複数の第二棒状部2が放射状に延びている。また、第一棒状部1の他の一部からも複数の第二棒状部2が外方へ向けて放射状に延びている。
即ち、前記微小構造体5は、第一棒状部1の一部から放射状に延びる複数の第二棒状部2を含む第二棒状部群2’を備えている。
前記微小構造体5は、第二棒状部群2’の複数を、第一棒状部1の長手方向に沿って、備えている。複数の第二棒状部群2’は、第一棒状部1の長手方向に沿って、間隔を空けて配されている。
前記複数の第二棒状部群2’は、例えば図1に示すように、基材6から離れた第二棒状部群2’ほど、より短い第二棒状部2を有している。
第二棒状部群2’の数は、第一棒状部1の長さに比例するように、より多い方が好ましい。
前記第二棒状部2は、通常、第一棒状部1の一部からまっすぐに延びている。
前記第二棒状部2は、棒状に形成され、一端が第一棒状部1の一部に接しており、他端側へ向かうほど第一棒状部1から離れるように配されている。また、前記第二棒状部2においては、通常、前記一端側よりも前記他端側が細くなっている。
前記第一棒状部1の一部から延びる第二棒状部2の数は、複数であることが好ましく、少なくとも3本であることがより好ましい。即ち、前記第二棒状部群2’は、複数の第二棒状部2を含むことが好ましく、少なくとも3本の第二棒状部2を含むことがより好ましい。
前記第一棒状部1の一部から延びる第二棒状部2の数は、3〜6本であることがさらに好ましく、4本であることが最も好ましい。
前記第一棒状部1の一部から延びる複数の第二棒状部2においては、互いに隣り合うもの同士間の角度が、70〜110°(鋭角及び直角で表したときに、70〜90°)であることが好ましい。
即ち、前記第二棒状部群2’においては、互いに互いに隣り合う第二棒状部2の間の角度が、70〜110°であることが好ましい。
前記第一棒状部1の長手方向の長さに対する、第二棒状部2の長手方向の長さの比は、通常、0.1〜1.0である。
前記第一棒状部1の長手方向に対する、第二棒状部2の長手方向の角度は、70〜110°であることが好ましく、80〜100°であることがより好ましく、85〜105°であることがさらに好ましい。即ち、第一棒状部1と第二棒状部2との間の角度は、上記の範囲であることが好ましい。斯かる範囲の角度であることにより、複数の微小構造体5を含む電子素子において、微小構造体5間に規則的な空間が形成され、該空間を気体や液体が通過しやすくなることから、より優れたガスセンサ素子などの電子素子を得ることができるという利点がある。また、同様の理由により、より優れた電池用電極を得ることができるという利点がある。
前記微小構造体5は、例えば図1に示すように、第二棒状部2の一部から延びる第三棒状部3をさらに備えていることが好ましい。第三棒状部3をさらに備えていることにより、微小構造体5の単位体積あたりの表面積をより大きくできるという利点がある。
第二棒状部2と第三棒状部3との間の角度は、通常、70〜110°である。即ち、斯かる角度は、鋭角及び直角で表したときに、70〜90°である。
前記微小構造体5は、少なくとも金属、又はケイ素(Si)を含んでいる。
前記微小構造体5の構成成分は、少なくとも金属又はケイ素を含むものであれば、特に限定されず、該構成成分としては、例えば、単一種の金属、合金、単一種金属の酸化物、異なる金属酸化物の混合物、ケイ素などが挙げられる。
前記微小構造体5に含まれる金属としては、具体的には、周期律表第2族元素、第4族元素、第5族元素、第6族元素、第7族元素、第8族元素、第9族元素、第10族元素、第11族元素、第12族元素、第13族の金属元素、第14族の金属元素、第15族の金属元素等が挙げられる。
また、前記微小構造体5に含まれる金属としては、具体的には、La(ランタン)、Ce(セリウム)、Pr(プラセオジム)、ネオジム(Nd)、Er(エルビウム)、Yb(イッテルビウム)、Lu(ルテチウム)などのランタノイド元素などが挙げられる。
前記第2族元素としては、具体的には例えば、ベリリウム(Be)、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、バリウム(Ba)などが挙げられる。
前記第4族元素としては、具体的には例えば、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)などが挙げられる。
前記第5族元素としては、具体的には例えば、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)などが挙げられる。
前記第6族元素としては、具体的には例えば、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)などが挙げられる。
前記第7族元素としては、具体的には例えば、マンガン(Mn)などが挙げられる。
前記第8族元素としては、具体的には例えば、鉄(Fe)などが挙げられる。
前記第9族元素としては、具体的には例えば、コバルト(Co)などが挙げられる。
前記第10族元素としては、具体的には例えば、ニッケル(Ni)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)などが挙げられる。
前記第11族元素としては、具体的には例えば、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)などが挙げられる。
前記第12族元素としては、具体的には例えば、亜鉛(Zn)、カドミウム(Cd)、水銀(Hg)などが挙げられる。
前記第13族の金属元素としては、具体的には例えば、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)などが挙げられる。
前記第14族の金属元素としては、具体的には例えば、スズ(Sn)、鉛(Pb)などが挙げられる。
前記第15族の金属元素としては、具体的には例えば、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)などが挙げられる。
前記微小構造体5は、複数種の金属を含んでいることが好ましい。複数種の金属を含んでいることにより、結晶構造がより複雑なものとなるため、結晶の成長がより複雑なものとなり得る。従って、例えば、第一棒状部1に対する第二棒状部2の数が増え得ることから、単位体積あたりの表面積がより大きくなり得るという利点がある。
前記微小構造体5に含まれる複数種の金属(合金)としては、前記第11族元素と前記第14族の金属元素とが好ましい。
例えば、前記微小構造体5に含まれる複数種の金属(合金)としては、PbS、PbSe、PbTe、SnBi、SnMn、ErSn3、AgSn、SnPr、SnAl、SnZn、SnAgCu、SnAg、SnCe、SnLa、SnPb、SnCu、SnLu、CdYb、CdNi、CdCaなどが挙げられる。
また、前記微小構造体5を構成する成分としては、具体的には例えば、InAs、InAs、GaPなどが挙げられる。
前記微小構造体5は、銅及びスズを含んでいることが好ましい。即ち、前記微小構造体5は、銅及びスズの合金(SnCu)を含んでいることが好ましく、銅及びスズの合金を95質量%以上含んでいることが好ましい。
前記微小構造体5は、複数種の金属酸化物を含んでいることが好ましい。微小構造体5が複数種の金属酸化物を含んでいることにより、該微小構造体5を含む電子素子の性能をより優れたものにすることができるという利点がある。
前記微小構造体5に含まれる金属酸化物としては、酸化スズ(SnO2)、酸化銅(CuOx)、酸化ニッケル(NiO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化タングステン(WO3)、酸化インジウム(In23)、酸化鉄(例えばFe23)、酸化ニオブ(Nb25)、酸化ジルコニウム(ZrO2)が好ましい。
なお、前記微小構造体5に含まれる金属酸化物は、1種単独の金属の酸化物であってもよく、2種以上の金属の酸化物であってもよい。詳しくは、微小構造体5に含まれる金属酸化物は、銅及びスズの(複合)酸化物であることが好ましい。
前記微小構造体5は、前記第11族元素と前記第14族の金属元素との合金、又は、前記第11族元素と前記第14族の金属元素との複合酸化物を含むことが好ましく、銅とスズとの合金、又は、銅とスズとの複合酸化物を含むことがより好ましい。しかも、前記微小構造体5においては、銅とスズとの原子数比が、Cu:Sn=75:25〜87:13であることが好ましく、77:23〜85:15であることがより好ましく、Cu:Sn=78:22〜84:16であることがさらに好ましい。
前記基材6は、少なくとも100μm2面積の表面を有している。
前記基材6は、例えば、板状に形成され、厚みが0.1mmであって、一方の面の面積が0.001〜1cm2である。
前記基材6の材質は、特に限定されず、該材質としては、炭素、ケイ素、ケイ素酸化物、金属、若しくは金属酸化物などの無機物、又は、高分子化合物などの有機物などが挙げられる。
前記基材6は、例えば図2に示すように、前記微小構造体5が形成される面側の最表面に形成された表面層6aと、表面層6aにおける微小構造体5が形成された側と反対側に配された基材本体6bとを備えていることが好ましい。
前記表面層6aは、金属を含んでいることが好ましい。表面層6aに含まれる金属としては、具体的には例えば、モリブデン(Mo)、スズ(Sn)、銅(Cu)、金(Au)、白金(Pt)、銀(Ag)などが挙げられる。
前記基材本体6bは、例えば、ケイ素(シリコン)で形成されている。
次に、本発明に係る微小構造体の製造方法の一実施形態について詳しく説明する。
本実施形態の微小構造体の製造方法は、上記の微小構造体5の製造方法であって、
前記金属の塩を含むめっき液に浸漬した前記基材6にめっき処理を施す工程(以下、めっき工程ともいう)を有するものである。
本実施形態の微小構造体の製造方法は、金属酸化物を含む微小構造体5を製造するために、めっき工程の後に、金属で構成された微小構造体を酸化させる酸化工程をさらに有し得る。
前記めっき工程においては、上述した基材6を前記めっき液に浸漬し、基材6をカソード側に配して電圧を加えることにより基材6にめっき処理を施す。即ち、前記めっき工程においては、基材6に対して電気めっき処理を施す。
前記めっき液は、上述した金属の塩と、水とを少なくとも含む。また、必要に応じて、さらに、pH調整剤などの添加剤を含み得る。
前記めっき液に含まれる金属の塩としては、上述した金属の、無機塩、又は有機酸塩などが挙げられる。
前記無機塩としては、塩化物塩、硝酸塩、硫酸塩、リン酸塩などが挙げられる。
前記有機酸塩としては、酢酸塩、シュウ酸塩、マロン酸塩などが挙げられる。
前記めっき液に含まれる金属の濃度は、0.001〜0.5mol/Lであることが好ましい。
前記めっき液に含まれる金属の塩としては、微小構造体5の単位体積あたりの表面積をより大きくできるという点で、スズ塩と銅塩とが好ましく、塩化スズと硝酸銅とがより好ましい。
なお、前記めっき工程においては、例えば、めっき液に加える複数種の金属の組み合わせを変えることにより、第二棒状部2の数を増やしたり、減らしたりすることができる。
前記めっき工程においては、加える電位が−0.1〜−4.0Vであることが好ましく、−0.3〜−1.0Vであることがより好ましい。加える電位が−0.1V以下であることにより、微小構造体5の単位体積あたりの表面積をより大きくできるという利点がある。また、加える電位が−4.0V以上であることにより、微小構造体5の単位体積あたりの表面積をより大きくできるという利点がある。
前記めっき工程においては、電流密度が0.1〜1000mA/cm2となるように電圧を加えることが好ましく、電流密度が1〜50mA/cm2となるように電圧を加えることがより好ましい。
なお、前記めっき工程において、加える電圧を上げること、電圧を加える時間を長くすること、又は、電流密度を上げることにより、第一棒状部1及び第二棒状部2の長さをより長くすることができる。
前記めっき工程においては、20〜80℃でめっき処理することが好ましい。20℃以上でめっき処理することにより、めっき処理における化学反応速度がより速くなり、より短時間でめっき処理できるという利点がある。また、80℃以下でめっき処理することにより、めっき液の減少をより抑制できるという利点がある。
前記めっき工程においては、めっき液のpHが、1〜5であることが好ましい。めっき液のpHが1以上であることにより、微小構造体5の単位体積あたりの表面積をより大きくできるという利点がある。また、めっき液のpHが5以下であることにより、微小構造体5の単位体積あたりの表面積をより大きくできるという利点がある。
前記めっき工程において用いるアノード側の電極材としては、一般的なものが採用される。
なお、前記めっき工程においては、例えば、標準電極(Ag/AgClなど)を用いた電位制御法もしくは電流制御法が採用される。
前記めっき工程においては、電位を一定とする直流めっき処理を行うことができる。
前記めっき工程においては、電圧を加える時間と、電圧を加えない時間とを交互に繰り返すパルスめっき処理を行うこともできる。
前記めっき工程においてパルスめっき処理を行うことにより、微小構造体5の単位体積あたりの表面積をより大きくできるという利点がある。
前記パルスめっき処理においては、電圧を加えない時間に対する電圧を加える時間の比が、0.001〜0.999であることが好ましく、0.005〜0.1であることがより好ましい。
前記パルスめっき処理において、電圧を加えない時間に対する電圧を加える時間の比が、0.001以上であることにより、微小構造体5の単位体積あたりの表面積をより大きくできるという利点がある。また、電圧を加えない時間に対する電圧を加える時間の比が、0.999以下であることにより、微小構造体5の単位体積あたりの表面積をより大きくできるという利点がある。
また、前記パルスめっき処理においては、連続して電圧を加える1回の時間、及び、連続して電圧を加えない1回の時間の合計が、0.01〜5.0秒であることが好ましく、0.1〜2.0秒であることがより好ましい。
前記パルスめっき処理においては、1秒あたりに連続して電圧を加える時間が1ミリ秒〜999ミリ秒であることが好ましく、5〜100ミリ秒であることがより好ましい。1秒あたりに連続して電圧を加える時間が1ミリ秒以上であることにより、微小構造体5の単位体積あたりの表面積をより大きくできるという利点がある。また、1秒あたりに連続して電圧を加える時間が999ミリ秒以下であることにより、微小構造体5の単位体積あたりの表面積をより大きくできるという利点がある。
なお、前記パルスめっき処理において、めっき処理の時間を十分長くすることにより、第二棒状部2を形成させ、第二棒状部2の長さを長くすることができ、めっき処理の時間をさらに長くすることにより、第三棒状部3を形成させることができる。
前記めっき液に含まれる添加剤としては、pH調整剤、ポリエチレングリコールなどの高分子化合物、錯化剤などが挙げられる。
前記pH調整剤としては、例えば、有機酸と有機酸塩とを組み合わせたものなどが挙げられる。
前記添加剤としての高分子化合物としては、分子量500〜5000のポリエチレングリコールが好ましく、分子量1000〜3000のポリエチレングリコールがより好ましい。
前記めっき液のポリエチレングリコール濃度は、10〜100mg/Lであることが好ましく、25〜75mg/Lであることがより好ましい。なお、斯かる濃度は、めっき液に含まれる各分子量のポリエチレングリコールの総量を示す。
前記錯化剤としては、例えば、シュウ酸アンモニウムなどが挙げられる。シュウ酸アンモニウム由来のシュウ酸は、めっき液中にて錯化剤として作用する。
前記めっき工程の後には、通常、水などの洗浄用溶媒によって微小構造体5を洗浄し、さらに、乾燥させる。
前記めっき工程の後には、必要であれば、微小構造体5に酸化処理を施す酸化工程を行う。
即ち、前記めっき工程の後には、必要に応じて、微小構造体5を構成する金属を酸化させるために酸化工程を行う。
前記酸化処理は、通常、一般的な方法によって行われる。
前記酸化処理においては、例えば、酸素ガスの存在下(大気中など)で加熱する方法、酸素プラズマを用いた方法、陽極酸化による方法、酸化剤による酸化方法などが採用される。
上記のごとく製造した微小構造体5は、例えば、電子素子を構成する部材として利用され得る。具体的には、前記微小構造体5は、例えば、ガスセンサ素子を構成する部材として利用され得る。
続いて、本発明の電子素子の一実施形態について説明する。図2及び図3は、本実施形態の電子素子の一例を模式的に示した模式図(基材の厚み方向断面図)である。
前記電子素子10は、上記の微小構造体5の複数を含むものである。
具体的には、前記電子素子10は、例えば図2に示すように、板状の前記基材6と、複数の前記微小構造体5とを備えている。
さらに、前記電子素子10は、例えば図3に示すように、板状の前記基材6を支持する支持材8と、複数の微小構造体5を基材6との間で挟み込むように配された電極7とを備えている。
また、前記電子素子10は、例えば図3に示すように、基材6及び微小構造体5を加熱するための金属製ヒータ9を備えている。
前記支持材8は、微小構造体5が形成された基材6の表面側と反対側に配され、基材6を支持している。
そして、前記電子素子10は、金属製ヒータ9によって基材6及び微小構造体5を加熱によって一定温度に保ちつつ、支持材8によって基材6を支持するように構成されている。
前記金属製ヒータ9は、通電によって発熱するように構成されており、例えば、白金により形成されている。また、前記金属製ヒータ9は、支持材8に埋め込まれるように配されており、しかも、基材6と接するように配されている。
前記支持材8は、例えば、ガラスによって形成されている。
前記電子素子としては、例えば、ガスセンサ素子、蓄電素子、触媒素子、半導体素子、発電素子、化学センサ素子、DNAセンサ素子などが挙げられる。
前記電子素子10は、例えば、上記のごとく基材6の表面に作製された微小構造体5を用いて製造することができる。
具体的には、前記電子素子10の製造においては、複数の微小構造体5が基材6の表面に形成されたものに対して、例えば図3に示すように、微小構造体5が形成された基材6の表面側と反対側に金属製ヒータ9と支持材8とを貼り付けることができる。
さらに、電子素子10の製造においては、複数の微小構造体5の間にある空間を、有機溶剤に溶解する材料(ポリマー等)でいったん満たすことができる。即ち、厚膜レジスト法などを用いて、有機溶剤に溶解する材料によって複数の微小構造体5をいったん埋めることができる。その後、空間を満たした材料の表面に対して、蒸着法やスパッタ法によって、電極7となる金属(Auなど)の薄膜を形成することができる。
そして、空間を満たした材料を有機溶剤によって溶解させて除去することにより、図3に示すような、電極7と支持材8と金属製ヒータ9とを備えた電子素子10を製造することができる。
前記電子素子は、例えば、ガスセンサ、蓄電池、触媒、半導体チップ、発電素子、化学センサ、DNAセンサなどの機器類を構成する部材として用いられ、このような機器類などにおいて好適に使用される。
前記ガスセンサの用途としては、例えば、ガス漏れ警報機、火災検知機、又は、毒性ガス検知機等の保安機器用途が挙げられる。
また、前記ガスセンサの用途としては、エンジン制御機器部品、触媒機能監視機器部品、車内空気換気機器部品等の自動車部品用途が挙げられる。
また、前記ガスセンサの用途としては、大気観測、汚染ガス観測、気象観測等の大気環境観測用途が挙げられる。
また、前記ガスセンサの用途としては、室内空気換気機器、エアコン制御機器、料理補助機器等の室内アメニティ機器用途が挙げられる。
また、前記ガスセンサの用途としては、燃焼監視機器、化学反応監視機器、包装工程監視機器、発酵工程監視機器等の工業生産監視用途が挙げられる。
また、前記ガスセンサの用途としては、呼気分析機器、運動生理評価機器、疾患発見機器等の医療機器用途が挙げられる。
さらに、本発明の電池用電極の一実施形態について説明する。
本実施形態の電池用電極は、上記の微小構造体5の複数を含むものである。
本実施形態の電池用電極としては、例えば、リチウムイオン二次電池の正極が挙げられる。即ち、本実施形態の電池用電極は、例えば、リチウムイオン二次電池の正極にて利用される。
本実施形態の電池用電極は、上記のようにして微小構造体5を作製しつつ、一般的な方法によって製造することができる。
本実施形態の微小構造体、電子素子、電池用電極、及び、微小構造体の製造方法は、上記例示の通りであるが、本発明は、上記例示の微小構造体、電子素子、及び微小構造体の製造方法に限定されるものではない。また、本発明では、一般の微小構造体、電子素子、電池用電極、及び微小構造体の製造方法において採用される種々の形態を、本発明の効果を損ねない範囲で採用することができる。
以下に、実施例によって本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
(実施例1)
下記のようにして微小構造体を製造した。
「めっき工程」
・基材
シリコン製基材本体の片面側にモリブデン表面層(層厚み50nm)が形成されてなるもの
(2cm×2cm×0.5mm(厚み))
・めっき液
下記の表1に示す組成を有するめっき液
・めっき処理条件
めっき液温度:55℃
めっき液のpH:3.5
めっき電位:−0.6V
めっき時間:30分
標準電極(Ag/AgCl)を用いた電位制御法を採用
・アノード側電極材:白金(Pt)
<微小構造体の観察>
実施例1で製造した微小構造体を、走査型電子顕微鏡によって観察した。
微小構造体における第一棒状部の長手方向に沿って微小構造体を切断した断面の写真を図4に示す。また、微小構造体側から基材へ向けて微小構造体を観察した写真を図5に示す。
<微小構造体の分析>
微小構造体における第一棒状部の3点に対して、エネルギー分散型X線分析(EDXA)による元素分析を行った。そして、求めた元素比を平均した。
その結果、Cu:Sn=81:19(原子%)となった。従って、微小構造体は、銅−スズ合金(Cu3Sn)のε相(斜方晶)であると考えられる。
(実施例2)
実施例1で製造した微小構造体に対して、酸化工程を行い、実施例2の微小構造体を製造した。
「酸化工程」
常圧下の空気中にて150℃で1時間放置することにより、酸化工程を行った。
これにより、銅酸化物及びスズ酸化物を含む微小構造体を製造した。
(実施例3)
めっき液の組成におけるポリエチレングリコール濃度を25mg/Lにした点、めっき処理条件を下記のように変更した点以外は、実施例1と同様にして、微小構造体を製造した。
・めっき処理条件
めっき液温度:55℃
めっき液のpH:3.5
めっき電位(電流密度 10mA/cm2):−0.60V
直流電流
めっき時間:60分
標準電極を用いた電位制御法(電流制御法)を採用
(実施例4)
めっき液の組成におけるポリエチレングリコール濃度を50mg/Lにした点以外は、実施例3と同様にして、微小構造体を製造した。
(実施例5)
めっき液の組成におけるポリエチレングリコール濃度を75mg/Lにした点以外は、実施例3と同様にして、微小構造体を製造した。
実施例3〜5で製造した微小構造体の電子顕微鏡観察像をそれぞれ図6(a)、(b)、(c)に示す。各観察像としては、基材の厚み方向断面における観察像(左側)と、微小構造体側から基材へ向けて微小構造体を観察した観察像(右側)とが示されている。
(実施例6)
めっき液の組成におけるポリエチレングリコール濃度を25mg/Lにした点、めっき処理条件を下記のように変更した点以外は、実施例1と同様にして、微小構造体を製造した。
・めっき処理条件
めっき液温度:55℃
めっき液のpH:3.5
パルス条件:V1/V2=8/992(ミリ秒)
めっき電位:−0.8V/−0.6V
めっき時間:60分
標準電極(Ag/AgCl)を用いた電位制御法を採用
・アノード側電極材:白金(Pt)
(実施例7)
めっき液の組成におけるポリエチレングリコール濃度を50mg/Lにした点以外は、実施例6と同様にして、微小構造体を製造した。
(実施例8)
めっき液の組成におけるポリエチレングリコール濃度を75mg/Lにした点以外は、実施例6と同様にして、微小構造体を製造した。
実施例6〜8で製造した微小構造体の電子顕微鏡観察像をそれぞれ図7(a)、(b)、(c)に示す。各観察像は、微小構造体側から基材へ向けて微小構造体を観察した観察像である。
実施例4で製造した微小構造体の電子顕微鏡観察像を図8及び図9に示す。観察像は、基材の厚み方向断面における観察像である。
図8及び図9から認識されるように、実施例4で製造した微小構造体は、上記の第一棒状部、第二棒状部、及び、第三棒状部を備えている。また、基材上に、複数の微小構造体が形成されている。
また、実施例4で製造した微小構造体の一部を取り出して、元素分析を行った結果を図10に図示する。
(実施例9)
実施例4で製造した微小構造体に対して、酸化工程を行い、実施例9の微小構造体を製造した。
「酸化工程」
常圧下の空気中にて100℃で1時間放置することにより、酸化工程を行った。
これにより、銅酸化物及びスズ酸化物を含む微小構造体を製造した。
(実施例10)
実施例4で製造した微小構造体に対して、酸化工程を行い、実施例10の微小構造体を製造した。
「酸化工程」
常圧下の空気中にて200℃で1時間放置することにより、酸化工程を行った。
これにより、銅酸化物及びスズ酸化物を含む微小構造体を製造した。
(実施例11)
実施例4で製造した微小構造体に対して、酸化工程を行い、実施例11の微小構造体を製造した。
「酸化工程」
常圧下の空気中にて280℃で1時間放置することにより、酸化工程を行った。
これにより、銅酸化物及びスズ酸化物を含む微小構造体を製造した。
実施例4で製造した微小構造体、及び、実施例9〜11で製造した微小構造体の電子顕微鏡観察像を、それぞれ図11の(a)〜(d)に示す。観察像は、微小構造体側から基材へ向けて微小構造体を観察した観察像である。
図11の各写真における右上の数値は、酸素(O)、銅(Cu)、及びスズ(Sn)の元素分析値を示す。
本発明の微小構造体は、単位体積あたり十分な表面積を有することから、例えば、電子素子を構成するものとして、好適に用いられる。電子素子としては、例えば、ガスセンサ素子、蓄電素子などが挙げられる。電池用電極としては、例えば、リチウムイオン電池(二次電池)の正極などが挙げられる。
1:第一棒状部、
2:第二棒状部、
3:第三棒状部、
5:微小構造体、
6:基材、
7:電極、
8:支持材、
9:金属製ヒータ、
10:電子素子。

Claims (10)

  1. 基材の表面に形成され金属を含む微小構造体であって、
    一端が前記基材を向き他端側へ延びるほど前記基材から離れるように配された第一棒状部と、該第一棒状部の一部から延びる第二棒状部とを備えている微小構造体。
  2. 前記第一棒状部の長手方向に対する、前記第二棒状部の長手方向の角度が、70〜110°である請求項1に記載の微小構造体。
  3. 前記第一棒状部の一部から延びる複数の前記第二棒状部を備えている請求項1又は2に記載の微小構造体。
  4. 前記複数の第二棒状部が、前記第一棒状部の一端側から他端側へ向けて見たときに、前記第一棒状部の一部から放射状に延びている請求項3記載の微小構造体。
  5. 前記金属が、複数種の金属である請求項1〜4のいずれか1項に記載の微小構造体。
  6. 前記第二棒状部の一部から延びる第三棒状部をさらに備えている請求項1〜5のいずれか1項に記載の微小構造体。
  7. 前記金属としての銅及びスズを含み、銅とスズとの原子数比が、Cu:Sn=75:25〜87:13である請求項1〜6のいずれか1項に記載の微小構造体。
  8. 請求項1〜7のいずれか1項に記載された微小構造体の複数を含む電子素子。
  9. 請求項1〜7のいずれか1項に記載された微小構造体の複数を含む電池用電極。
  10. 請求項1〜7のいずれか1項に記載された微小構造体の製造方法であって、
    前記金属の塩を含むめっき液に浸漬した前記基材にめっき処理を施す工程を有する微小構造体の製造方法。
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