JP5616597B2 - 銀ナノ粒子の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、銀ナノ粒子およびその製造方法に関する。
そのすべてが、本願に参照により完全に援用される、相互に関連しかつ同一出願人による次の8件の特許出願を参照する。
イーリャンウー(Yiliang Wu)らの「ナノ粒子堆積法(NANOPARTICLE DEPOSITION PROCESS)」と題する2003年12月11日出願の米国特許出願第10/733136号。
ユーニンリー(Yuning Li)らの「安定化された銀ナノ粒子およびそれらの利用(STABILIZED SILVER NANOPARTICLES AND THEIR USE)」と題する特許文献1。
イーリャンウーらの「接触抵抗を最小化する方法(METHODS TO MINIMIZE CONTACT RESISTANCE)」と題する特許文献2。
ユーニンリーらの「置換安定剤を有する銀含有ナノ粒子(SILVER−CONTAINING NANOPARTICLES WITH REPLACEMENT STABILIZER)」と題する2006年10月5日出願の米国特許出願第11/543661号。
ユーニンリーらの「アニールされ安定化された銀ナノ粒子を含有するデバイス(DEVICES CONTAINING ANNEALED STABILIZED SILVER NANOPARTICLES)」と題する2006年12月15日出願の米国特許出願第11/611228号。
ユーニンリーらの「安定化された銀ナノ粒子およびそれらの利用(STABILIZED SILVER NANOPARTICLES AND THEIR USE)」と題する2007年8月10日出願の米国特許出願第11/837023号。
ユーニンリーらの「銀ナノ粒子組成物(SILVER NANOPARTICLE COMPOSITIONS)」と題する2007年11月29日出願の米国特許出願第11/946923号。
ユーニンリーらの「カルボン酸で安定化された銀ナノ粒子の製造方法(METHODS FOR PRODUCING CARBOXYLIC ACID STABILIZED SILVER NANOPARTICLES)」と題する同時出願の米国特許出願第xxx号(20071930−US−NP、XERZ 201963)。
米国特許第7270694号明細書 米国特許第7306969号明細書
本明細書中、種々の実施形態で開示するのは、安定で高性能な銀ナノ粒子組成物、ならびに該組成物を調製および/または利用するための方法およびデバイスである。
液体堆積技術を利用する電子回路素子の製作は、当該技術が、薄膜トランジスタ(TFT)、発光ダイオード(LED)、RFIDタグ、光発電などの電子応用分野のための従来からの主流であるアモルファスシリコン技術に対して低コストの可能性を秘めた代替技術を提供するので、利益をもたらす可能性がある。しかし、機能電極、画素パッド、ならびに伝導性、加工性を満たす伝導性のトレース、ラインおよびトラックの堆積および/またはパターン形成、ならびに実際的応用のためのコスト要件が、大きな難題であった。銀は、金よりもコストがはるかに低く、かつ銅よりもはるかに良好な環境安定性を所持するので、電子デバイス用の伝導素子として特に重要である。
したがって、本発明の目的は、電子デバイスの電気伝導素子を製作するのに適した、液体処理が可能で安定な銀含有ナノ粒子組成物のより低コストの調製方法を提供することにある。
本出願は、種々の例示的実施形態において、銀含有ナノ粒子組成物の調製方法、およびそのようにして製造された組成物を開示する。薄膜トランジスタなど、該ナノ粒子組成物を利用するデバイスも開示される。
実施形態中で開示されるのは、銀ナノ粒子の製造方法であって、銀化合物、カルボン酸、アミン化合物、および任意選択の溶媒を含有する混合物を形成する工程と、該混合物を任意選択で加熱する工程と、該混合物にヒドラジン化合物を添加する工程と、ならびに該混合物を反応させて銀ナノ粒子を形成する工程とを含む製造方法である。
該銀化合物は、酸化銀(I)、酸化銀(II)、酢酸銀、硝酸銀、銀アセチルアセトナート、安息香酸銀、臭素酸銀、臭化銀、炭酸銀、塩化銀、クエン酸銀、フッ化銀、ヨウ素酸銀、ヨウ化銀、乳酸銀、亜硝酸銀、過塩素酸銀、リン酸銀、硫酸銀、硫化銀、およびトリフルオロ酢酸銀からなる群から選択できる。
該カルボン酸は、少なくとも4個の炭素原子を有することができる。いくつかの実施形態において、カルボン酸は、4〜約20個の炭素原子を有する。あるいは、カルボン酸は、酪酸、ペンタン酸、ヘキサン酸、ヘプタン酸、オクタン酸、ノナン酸、デカン酸、ウンデカン酸、ドデカン酸、トリデカン酸、ミリスチン酸、ペンタデカン酸、パルミチン酸、ヘプタデカン酸、ステアリン酸、オレイン酸、ノナデカン酸、イコサン酸、エイコセン酸、エライジン酸、リノール酸、およびパルミトオレイン酸からなる群から選択できる。
該アミン化合物は、1、2個またはそれ以上の次式
Figure 0005616597
(式中、A、BおよびCは、水素および有機基から独立に選択され、その少なくとも1つは有機基である)のアミン基を含むことができる。
より具体的な実施形態において、アミン化合物は、式:NRまたはRN−R−NRの1つを有し、式中、R、R、R、RおよびRは、水素、アルキル、アリール、置換アルキル、および置換アリールから独立に選択される。ここで、R、RおよびRの少なくとも1つは水素ではなく、Rは水素であってはならない。アミン化合物は、プロピルアミン、ブチルアミン、ペンチルアミン、ヘキサラミン、ヘプチルアミン、オクチルアミン、ノニルアミン、デシルアミン、ウンデシルアミン、ドデシルアミン、トリデシルアミン、テトラデシルアミン、ペンタデシルアミン、ヘキサデシルアミン、ヘプタデシルアミン、オクタデシルアミン、N,N−ジメチルアミン、N,N−ジプロピルアミン、N,N−ジブチルアミン、N,N−ジペンチルアミン、N,N−ジヘキシルアミン、N,N−ジヘプチルアミン、N,N−ジオクチルアミン、N,N−ジノニルアミン、N,N−ジデシルアミン、N,N−ジウンデシルアミン、N,N−ジドデシルアミン、メチルプロピルアミン、エチルプロピルアミン、プロピルブチルアミン、エチルブチルアミン、エチルペンチルアミン、プロピルペンチルアミン、ブチルペンチルアミン、トリエチルアミン、トリプロピルアミン、トリブチルアミン、トリペンチルアミン、トリヘキシルアミン、トリヘプチルアミン、トリオクチルアミン、1,2−エチレンジアミン、N,N,N',N'−テトラメチルエチレンジアミン、プロパン−1,3−ジアミン、N,N,N',N'−テトラメチルプロパン−1,3−ジアミン、ブタン−1,4−ジアミン、およびN,N,N',N'−テトラメチルブタン−1,4−ジアミンからなる群から選択できる。
該ヒドラジン化合物は、式:RN−NRを有することができ、式中、R、R、RおよびRは、水素、アルキルおよびアリールから独立に選択される。ここで、R、R、RおよびRの少なくとも1つは水素ではない。ヒドラジン化合物は、式RN−NHを有することができる。ヒドラジン化合物は、いくつかの具体的な実施形態において、フェニルヒドラジンである。
銀化合物に対するカルボン酸のモル比は、約0.05〜約10でよい。銀化合物に対するアミン化合物のモル比は、約0.1〜約1000でよい。銀化合物に対するヒドラジン化合物のモル比は、約0.2〜約2.0でよい。
該混合物を、約25℃〜約200℃の温度で加熱してもよい。混合物を、約120分間まで加熱してもよい。
該混合物を、約25℃〜約200℃の温度で反応させてもよい。混合物を、約5分〜約5時間反応させてもよい。
生じるナノ粒子は、約0.5nm〜約1000nmの平均直径を有してもよい。
該方法は、第1非溶媒を用いて混合物から銀ナノ粒子を分離すること、および第2非溶媒を用いて該銀ナノ粒子を洗浄することをさらに含むことができる。
非溶媒は、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、アセトン、またはN,N−ジメチルホルムアミドを含むことができる。
銀ナノ粒子は、約30nm以下の粒径分布幅を有することができる。
他の実施形態で開示されるのは、狭い粒径分布を有する銀ナノ粒子の製造方法であって、銀化合物、カルボン酸、およびキレートを形成するジアミン化合物を含有する混合物を形成する工程と、該混合物を任意選択で加熱する工程と、該混合物にヒドラジン化合物を添加する工程と、ならびに該混合物を反応させて銀ナノ粒子を形成する工程とを含み、該銀ナノ粒子が、約30nm以下の粒径分布幅を有する製造方法である。
キレートを形成するジアミン化合物は、式:RN−(CH−NRを有することができ、式中、R、R、RおよびRは、水素、アルキル、アリール、置換アルキル、および置換アリールから独立に選択され、nは1〜4である。特定の実施形態において、キレートを形成するジアミン化合物は、テトラメチルエチレンジアミンである。銀ナノ粒子は、約1〜約50nmの平均直径を有することができる。
当該方法から生じる銀ナノ粒子も開示される。銀ナノ粒子を堆積させる工程と、および次いで加熱する工程と、によって製造される薄膜トランジスタも開示される。
開示に関するこれらおよびその他の非制限的特徴を、以下でより詳細に開示する。
本開示のナノ粒子を含む薄膜トランジスタの第1実施形態を示す図である。 本開示のナノ粒子を含む薄膜トランジスタの第2実施形態を示す図である。 本開示のナノ粒子を含む薄膜トランジスタの第3実施形態を示す図である。 本開示のナノ粒子を含む薄膜トランジスタの第4実施形態を示す図である。 本開示の方法により形成されたナノ粒子の粒径および分布を示すグラフである。 本開示の方法により形成されたナノ粒子の粒径および分布を示すグラフである。 本開示の方法により形成されたナノ粒子の粒径および分布を示すグラフである。 本開示の方法により形成されたナノ粒子の粒径および分布を示すグラフである。 先行の方法により形成されたナノ粒子の粒径および分布を示すグラフである。
本明細書に開示の構成要素、方法および装置のより完全な理解は、添付の図面を参照することによって得ることができる。これらの図は、本開示を説明する都合および容易さに基づいた、単なる概略的描写であり、それゆえ、デバイスまたはその構成要素の相対的大きさおよび次元を示すこと、ならびに/あるいは例示的実施形態の範囲を定義または限定することを意図しない。
明瞭性のために、特定の用語が、以下の説明で使用されるが、これらの用語は、図面での説明のために選択された実施形態の特定の体系のみを指すと解釈され、本開示の範囲を定義または限定することを意図しない。図面および以下の説明において、類似の数字で表した呼称は、類似の機能を有する構成要素を指すと解すべきである。
用語「ナノ」は、「銀ナノ粒子」に関して使用される場合、約1000nm未満の粒径を指す。実施形態において、銀を含有するナノ粒子は、約0.5nm〜約1000nm、約1nm〜約500nm、約1nm〜約100nm、特に約1nm〜約20nmの粒径を有する。本明細書中で、粒径は、TEM(透過電子顕微鏡法)によって測定されるような、安定剤を除外した銀粒子の平均直径と定義される。
本開示の方法は、銀ナノ粒子を生み出す。該方法は、(a)銀化合物、カルボン酸、アミン化合物、および任意選択の溶媒を含有する混合物を形成すること、(b)該混合物を任意選択で加熱すること、(c)該混合物にヒドラジン化合物を添加すること、および(d)該混合物を反応させて銀ナノ粒子を形成することを含む。
銀化合物は、銀(I)または銀(II)を含む。典型的な銀化合物には、酸化銀(I)、酸化銀(II)、酢酸銀、硝酸銀、銀アセチルアセトナート、安息香酸銀、臭素酸銀、臭化銀、炭酸銀、塩化銀、クエン酸銀、フッ化銀、ヨウ素酸銀、ヨウ化銀、乳酸銀、亜硝酸銀、過塩素酸銀、リン酸銀、硫酸銀、硫化銀、およびトリフルオロ酢酸銀など、またはこれらの混合物が含まれる。
混合物中で使用されるカルボン酸は、少なくとも4個の炭素原子を有する。さらなる具体的な実施形態において、カルボン酸は、4〜約20個の炭素原子を有する。典型的なカルボン酸には、酪酸、ペンタン酸、ヘキサン酸、ヘプタン酸、オクタン酸、ノナン酸、デカン酸、ウンデカン酸、ドデカン酸、トリデカン酸、ミリスチン酸、ペンタデカン酸、パルミチン酸、ヘプタデカン酸、ステアリン酸、オレイン酸、ノナデカン酸、イコサン酸、エイコセン酸、エライジン酸、リノール酸、およびパルミトオレイン酸が含まれる。
アミン化合物は、錯化剤として機能する。アミン化合物は、任意の第1級、第2級、または第3級アミンでよい。アミン化合物は、モノアミン、ジアミン、またはポリアミンでよい。
より詳細には、アミン化合物は、1、2個またはそれ以上の次式
Figure 0005616597
(式中、A、BおよびCは、水素および有機基から独立に選択され、その少なくとも1つは有機基である)のアミン基を含むことができる。第3級アミンが、1つを超えるこのようなアミン基を含む場合、その窒素原子は互いに直接には結合していない。典型的な有機基には、アルキル、アリール、置換アルキル、および置換アリールが含まれる。
他の実施形態において、アミン化合物は、式:NRまたはRN−R−NRの1つで記述される。式中、R、R、R、RおよびRは、水素、アルキル、アリール、置換アルキル、および置換アリールから独立に選択される。ここで、R、RおよびRの少なくとも1つは、水素ではなく、Rは水素であってはならない。一般に、アルキル基は、1〜約18個の炭素原子を有し、アリール基は、6〜約20個の炭素原子を有する。アルキルおよびアリール基は、ハロゲン、ヒドロキシル、ニトロ(−NO)、アルコキシ、メルカプト(−SH)などの基で置換されていてもよい。典型的なアミン化合物には、プロピルアミン、ブチルアミン、ペンチルアミン、ヘキサラミン、ヘプチルアミン、オクチルアミン、ノニルアミン、デシルアミン、ウンデシルアミン、ドデシルアミン、トリデシルアミン、テトラデシルアミン、ペンタデシルアミン、ヘキサデシルアミン、ヘプタデシルアミン、オクタデシルアミン、N,N−ジメチルアミン、N,N−ジプロピルアミン、N,N−ジブチルアミン、N,N−ジペンチルアミン、N,N−ジヘキシルアミン、N,N−ジヘプチルアミン、N,N−ジオクチルアミン、N,N−ジノニルアミン、N,N−ジデシルアミン、N,N−ジウンデシルアミン、N,N−ジドデシルアミン、メチルプロピルアミン、エチルプロピルアミン、プロピルブチルアミン、エチルブチルアミン、エチルペンチルアミン、プロピルペンチルアミン、ブチルペンチルアミン、トリエチルアミン、トリプロピルアミン、トリブチルアミン、トリペンチルアミン、トリヘキシルアミン、トリヘプチルアミン、トリオクチルアミン、1,2−エチレンジアミン、N,N,N',N'−テトラメチルエチレンジアミン、プロパン−1,3−ジアミン、N,N,N',N'−テトラメチルプロパン−1,3−ジアミン、ブタン−1,4−ジアミン、およびN,N,N',N'−テトラメチルブタン−1,4−ジアミンなど、またはこれらの混合物が含まれる。
実施形態において、銀化合物に対するカルボン酸のモル比は、約0.05〜約10でよい。より具体的な実施形態において、銀化合物に対するアミン化合物のモル比は、約0.1〜約10、例えば、約0.1〜約1である。
実施形態において、銀化合物に対するアミン化合物のモル比は、約0.1〜約1000である。より具体的な実施形態において、銀化合物に対するアミン化合物のモル比は、約0.2〜約10、例えば、約0.4〜4.0である。
所望なら、溶媒は、最初の混合物に添加することができる。溶媒は、ペンタン、ヘキサン、シクロヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン、ウンデカン、ドデカン、トリデカン、テトラデカン、トルエン、キシレン、メシチレン、テトラヒドロフラン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、トリクロロベンゼン、ニトロベンゼン、シアノベンゼンなど、またはこれらの混合物などの有機溶媒でよい。
銀化合物、カルボン酸、アミン化合物、および任意選択の溶媒の混合物を、任意選択で加熱することができる。加熱は、銀化合物を溶解し、混合物を均質化するために必須である場合がある。銀を溶解しないと、工程が延びるにつれて、銀化合物が減少し、その結果、銀ナノ粒子は、安定化されず、不溶性凝集物を生成するであろう。
混合物は、約25℃〜約200℃の温度で加熱してもよい。より具体的な実施形態において、混合物は、約25℃〜約150℃、または約50℃〜約100℃の温度に加熱される。
混合物は、約120分間まで加熱してもよい。より具体的な実施形態において、約1分〜約60分間加熱される。一般に、混合物は、大気圧で加熱される。
次に、混合物にヒドラジン化合物を添加する。本明細書中で使用する場合、用語「ヒドラジン化合物」は、例えば、置換ヒドラジンまたはそれらの適切な水和物または塩を指す。置換ヒドラジンは、約1〜約30個の炭素原子、約1〜約25個の炭素原子、約2〜約20個の炭素原子、および約2〜約16個の炭素原子を含むことができる。実施形態において、置換ヒドラジンとしては、例えば、ヒドロカルビルヒドラジン、ヒドラジド、カルバジン酸エステル、およびスルホノヒドラジドを挙げることができる。
還元剤としてのヒドラジン化合物の使用は、例えば、1)置換に応じて水、極性または非極性有機溶媒に溶解性を有すること、2)置換に応じて強から弱までの還元能力を有すること、および3)例えば、水素化ホウ素ナトリウムなどの他の還元剤中に存在するような非揮発性金属イオンが存在しないこと(このことは、副生物または未反応還元剤の除去を容易にする)などのいくつかの利点を有することができる。
ヒドロカルビルヒドラジンの例には、例えば、RNHNH、RNHNHR'、およびRR'NNHが含まれ、ここで、一方の窒素原子は、RまたはR'で一置換または二置換されており、他方の窒素原子はRまたはR'で且つ任意選択で一置換または二置換されており、各RまたはR'は、炭化水素基である。ヒドロカルビルヒドラジンの例には、例えば、メチルヒドラジン、tert−ブチルヒドラジン、2−ヒドロキシエチルヒドラジン、ベンジルヒドラジン、フェニルヒドラジン、トリルヒドラジン、ブロモフェニルヒドラジン、クロロフェニルヒドラジン、ニトロフェニルヒドラジン、1,1−ジメチルヒドラジン、1,1−ジフェニルヒドラジン、1,2−ジエチルヒドラジン、および1,2−ジフェニルヒドラジンが含まれる。
別途指摘しない限り、各種ヒドラジン化合物のRおよびR'に関する置換基を明らかにする際に、句「炭化水素基」は、非置換炭化水素基および置換炭化水素基の双方を包含する。非置換炭化水素基としては、例えば、水素原子、直鎖または分枝のアルキル基、シクロアルキル基、アリール基、アルキルアリール基、アリールアルキル基、またはこれらの組合せなど、任意の適切な置換基を挙げることができる。アルキルおよびシクロアルキル置換基は、約1〜約30個の炭素原子、約5〜約25個の炭素原子、約10〜約20個の炭素原子を含むことができる。アルキルおよびシクロアルキル置換基の例には、例えば、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチル、ヘキシル、ヘプチル、オクチル、ノニル、デシル、ウンデシル、ドデシル、トリデシル、テトラデシル、ペンタデシル、ヘキサデシル、ヘプタデシル、オクタデシル、ノナデシル、またはエイコサニル、およびこれらの組合せが含まれる。アリール基置換基は、約6〜約48個の炭素原子、約6〜約36個の炭素原子、約6〜約24個の炭素原子を含むことができる。アリール置換基の例には、例えば、フェニル、メチルフェニル(トリル)、エチルフェニル、プロピルフェニル、ブチルフェニル、ペンチルフェニル、ヘキシルフェニル、ヘプチルフェニル、オクチルフェニル、ノニルフェニル、デシルフェニル、ウンデシルフェニル、ドデシルフェニル、トリデシルフェニル、テトラデシルフェニル、ペンタデシルフェニル、ヘキサデシルフェニル、ヘプタデシルフェニル、オクタデシルフェニル、またはこれらの組合せが含まれる。置換炭化水素基は、例えば、ハロゲン(塩素、フッ素、臭素およびヨウ素)、ニトロ基、シアノ基、アルコキシ基(メトキシ、エトキシおよびプロポキシ)、またはヘテロアリールで1、2回またはそれ以上置換されている、本明細書中に記載の非置換炭化水素基でよい。ヘテロアリール基の例には、チエニル、フラニル、ピリジニル、オキサゾイル、ピロイル、トリアジニル、イミダゾイル、ピリミジニル、ピラジニル、オキサジアゾイル、ピラゾイル、トリアゾイル、チアゾイル、チアジアゾイル、キノリニル、キナゾリニル、ナフチリジニル、カルバゾイル、またはこれらの組合せを含めることができる。
ヒドラジン化合物の例には、例えば、ヒドラジド類、RC(O)NHNH、RC(O)NHNHR'、およびRC(O)NHNHC(O)Rを含めることができ、ここで、窒素原子の一方または双方は、式RC(O)のアシル基で置換されており、各Rは、水素および炭化水素基から独立に選択され、窒素原子の一方または双方は、R'で且つ任意選択で一置換または二置換されており、各R'は、炭化水素基から独立に選択される。ヒドラジドの例には、例えば、ギ酸ヒドラジド、アセトヒドラジド、ベンズヒドラジド、アジピン酸ジヒドラジド、カルボヒドラジド、ブタノヒドラジド、ヘキサン酸ヒドラジド、オクタン酸ヒドラジド、オキサミド酸ヒドラジド、マレイン酸ヒドラジド、N−メチルヒドラジンカルボキサミド、およびセミカルバジドを含めることができる。
ヒドラジン化合物の例には、例えば、カルバジン酸エステルおよびヒドラジノカルボン酸エステル、例えば、ROC(O)NHNHR'、ROC(O)NHNHおよびROC(O)NHNHC(O)ORを含めることができ、ここで、窒素原子の一方または双方は、式ROC(O)のエステル基で置換されており、各Rは、水素および炭化水素基から独立に選択され、窒素原子の一方または双方は、R'で一置換または二置換されていてもよく、各R'は、炭化水素基から独立に選択される。カルバジン酸エステルの例には、例えば、カルバジン酸メチル(ヒドラジノカルボン酸メチル)、カルバジン酸エチル、カルバジン酸ブチル、カルバジン酸ベンジル、およびカルバジン酸2−ヒドロキシエチルを含めることができる。
スルホノヒドラジドの例には、例えば、RSONHNH、RSONHNHR'、およびRSONHNHSORが含まれ、ここで、窒素原子の一方または双方は、式RSOのスルホニル基で置換されており、各Rは、水素および炭化水素基から独立に選択され、窒素原子の一方または双方は、R'で且つ任意選択で一置換または二置換されており、各R'は、炭化水素基から独立に選択される。スルホノヒドラジドの例には、例えば、メタンスルホノヒドラジド、ベンゼンスルホノヒドラジン、2,4,6−トリメチルベンゼンスルホノヒドラジド、およびp−トルエンスルホノヒドラジドを含めることができる。その他のヒドラジン化合物には、例えば、アミノグアニジン、チオセミカルバジド、メチルヒドラジンカルビミドチオラート、およびチオカルボヒドラジドを含めることができる。
実施形態において、ヒドラジン化合物は、式:RN−NRを有し、式中、R、R、RおよびRは、水素、アルキル、およびアリールから独立に選択される。ここで、R、R、RおよびRの少なくとも1つは、水素ではない。より具体的な実施形態において、ヒドラジン化合物は、式RN−NHを有する。典型的なヒドラジン化合物には、メチルヒドラジン、tert−ブチルヒドラジン、2−ヒドロキシエチルヒドラジン、ベンジルヒドラジン、フェニルヒドラジン、トリルヒドラジン、ブロモフェニルヒドラジン、クロロフェニルヒドラジン、およびニトロフェニルヒドラジンが含まれる。
実施形態において、銀化合物に対するヒドラジン化合物のモル比は、約0.2〜約2.0である。
次に、銀化合物、カルボン酸、アミン化合物、および任意選択の溶媒を含む混合物を、ヒドラジン化合物と反応させて、銀ナノ粒子を形成する。一般には、混合物を、高められた温度で反応させ、撹拌などのかき混ぜを伴って反応させてもよい。混合物は、約25℃〜約200℃の温度で反応させてもよい。より具体的な実施形態において、混合物は、約50℃〜約100℃の温度に加熱される。
混合物は、約5分〜約5時間反応させてもよい。より具体的な実施形態において、混合物は約10分〜約2時間加熱される。一般には、混合物を、大気圧で反応させる。
生じるナノ粒子は、約0.5nm〜約1000nmの平均直径を有する。より具体的な実施形態において、ナノ粒子は、約1nm〜約100nmの平均直径を有する。
所望なら、銀ナノ粒子を、非溶媒、すなわち、銀ナノ粒子が溶けない液体を使用することによって反応混合物から分離できる。次いで、銀ナノ粒子を非溶媒で洗浄してもよい。典型的な非溶媒には、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、アセトン、アセトニトリル、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシドなどが含まれる。
キレートを形成するジアミン化合物を使用すると、生じる銀ナノ粒子は、狭い粒径分布幅を有する可能性がある。キレートを形成する典型的なジアミン化合物は、式:RN−(CH−NRを有する。ここで、R、R、RおよびRは、水素、アルキル、アリール、置換アルキル、および置換アリールから独立に選択され、nは1〜4である。具体的な実施形態において、キレートを形成するジアミン化合物は、N,N,N',N'−テトラメチルエチレンジアミン、またはTMEDAである。
粒径分布幅は、最も大きなナノ粒子の直径と最も小さなナノ粒子の直径との差分、または最小ナノ粒子と最大ナノ粒子との間の幅を指す。実施形態において、銀ナノ粒子の粒径分布幅は、約30nm以下である。より具体的な実施形態において、粒径分布幅は、約10〜30nm、または約10〜25nmである。加えて、銀ナノ粒子は、一般に小さい。実施形態において、銀ナノ粒子は、約1nm〜約50nmの平均直径を有することができる。
本開示の方法を使用して製造される銀ナノ粒子は、銀ナノ粒子の表面に安定剤としてのカルボン酸を含む。カルボン酸安定剤のほかにも、銀ナノ粒子は、銀ナノ粒子の表面にアミン化合物を含んでいてもよいし、含まなくてもよい。本開示の方法は、銀ナノ粒子の安価な1ステップ作製法を可能にする。対照的に、先行の方法は、アミンで安定化された銀ナノ粒子の形成、それに続く、該アミンのカルボン酸での置き換えを含む複数のステップを必要とした。
実施態様において、銀を含有するナノ粒子は、元素状銀または銀複合体から構成される。銀に加えて、銀複合体には、(i)1種以上の他の金属、および(ii)1種以上の非金属のどちらかまたは双方を含めることができる。適切な他の金属には、例えば、Al、Au、Pt、Pd、Cu、Co、Cr、In、およびNi、特に、遷移金属、例えば、Au、Pt、Pd、Cu、Cr、Ni、およびこれらの混合物が含まれる。典型的な金属複合体は、Au−Ag、Ag−Cu、Au−Ag−Cu、およびAu−Ag−Pdである。金属複合体中の適切な非金属には、例えば、Si、C、およびGeが含まれる。銀複合体の各種構成成分は、例えば約0.01重量%〜約99.9重量%、特に約10重量%〜約90重量%の範囲の量で存在できる。実施形態において、銀複合体は、銀、および1、2種またはそれ以上の他の金属から構成される金属合金であり、銀は、例えばナノ粒子の少なくとも約20重量%を構成し、特にナノ粒子の約50重量%を超える。
実施形態において、例えば、銀ナノ粒子を液体堆積技術に適合するようにすること(例えば、電子デバイスの製作のために)などの、銀ナノ粒子のさらなる加工処理を行なうことができる。組成物のこのようなさらなる加工処理は、例えば、適切な液体中に銀ナノ粒子を溶解、または分散することでよい。
銀ナノ粒子を分散または溶解して銀ナノ粒子組成物を形成するのに使用できる液体には、有機液体または水が含まれる。典型的な有機液体には、ペンタン、ヘキサン、シクロヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン、ウンデカン、ドデカン、トリデカン、テトラデカン、トルエン、キシレン、メシチレンなどの炭化水素、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、ヘプタノール、オクタノールなどのアルコール、テトラヒドロフラン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、トリクロロベンゼン、ニトロベンゼン、シアノベンゼン、アセトニトリル、およびこれらの混合物が含まれる。1、2、3種またはそれ以上の液体を使用できる。2種以上の溶媒を使用する実施形態において、各溶媒は、例えば約99:1〜約1:99などの任意の適切な容積比またはモル比で存在できる。
銀ナノ粒子からの伝導素子の製作は、i)スクリーン/ステンシル印刷、スタンピング、マイクロコンタクト印刷、インクジェット印刷などの印刷、ii)スピン被覆、浸漬被覆、ブレード被覆、流し込み、浸漬などの被覆を含む任意の適切な液体堆積技術を使用する実施形態で実施できる。堆積した銀ナノ粒子は、この段階で、電気伝導性を示してもよいし、示さなくてもよい。
堆積したナノ粒子を約300℃未満の温度、好ましくは約250℃以下で加熱すると、該ナノ粒子は合着して、電子デバイス中で伝導素子として使用するのに適した電気伝導層を形成することになる。加熱は、例えば、約1分〜約10時間、特に約5分〜約1時間の範囲の時間で行なわれる。加熱は、約100℃〜約300℃の温度で行なうことができる。より具体的な実施形態において、加熱は、約150℃〜約200℃、または約170℃〜約190℃の温度で行なわれる。
堆積した銀ナノ粒子を加熱することによって製造される生じる銀含有素子の伝導率は、例えば、少なくとも1000S/cmである。他の実施形態において、伝導率は、4探針法で測定した場合に少なくとも10000S/cmである。
生じる伝導素子は、薄膜トランジスタ、有機発光ダイオード、RFID(ラジオ周波数による識別)タグ、光発電などの電子デバイス、および伝導性の素子または構成要素を必要とするその他の電子デバイス中で、伝導電極、伝導パッド、伝導ライン、伝導トラックなどとして使用できる。
図1に、多量にn−ドープされたシリコンウェーハ18(基板およびゲート電極の双方として機能を発揮する)、熱で成長した酸化ケイ素の絶縁誘電層14(この頂部に、2つの金属接点、すなわち、ソース電極20およびドレイン電極22が置かれる)を備えた薄膜トランジスタ(「TFT」)の配置10を概略的に例示する。金属接点20および22の上部および間は、本明細書中で例示するような半導体層12である。
図2は、基板36、ゲート電極38、ソース電極40、ドレイン電極42、絶縁誘電層34、および半導体層32を備えた別のTFTの配置30を概略的に例示する。
図3は、多量にn−ドープされたシリコンウェーハ56(基板およびゲート電極の双方として機能を発揮する)、熱で成長した酸化ケイ素の絶縁誘電層54、および半導体層52(その頂部に、ソース電極60およびドレイン電極62を堆積させる)を備えたさらなるTFTの配置50を概略的に例示する。
図4は、基板76、ゲート電極78、ソース電極80、ドレイン電極82、半導体層72、絶縁誘電層74を備えたさらなるTFTの配置70を概略的に例示する。
基板は、例えば、シリコン、ガラス板、プラスチックのフィルム若しくはシート、紙、または繊維から構成できる。構造的に柔軟性のあるデバイスのためには、例えば、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリイミドのシートなどのプラスチック基板を使用できる。基板の厚さは、約10μmから10mmを超えるまでの総計でよく、典型的な厚さは、特に、柔軟性のあるプラスチック基板では約50μm〜約2mmであり、ガラスまたはシリコンなどの堅い基板では約0.4〜約10mmである。
ゲート電極、ソース電極、およびドレイン電極は、本開示の実施形態によって製作される。ゲート電極層の厚さは、例えば約10〜約2000nmの範囲である。ソースおよびドレイン電極の典型的な厚さは、例えば、約40nm〜約1μmであり、より具体的な厚さは、約60〜約400nmである。
絶縁誘電層は、一般に、無機材料のフィルムまたは有機ポリマーのフィルムでよい。絶縁層として適切な無機材料の実例には、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、チタン酸バリウム、チタン酸バリウムジルコニウムなどが含まれ;絶縁層のための有機ポリマーの実例には、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリ(ビニルフェノール)、ポリイミド、ポリスチレン、ポリ(メタクリレート)、ポリ(アクリレート)、エポキシ樹脂などが含まれる。絶縁層の厚さは、使用される誘電材料の誘電率に応じて、例えば、約10nm〜約500nmである。絶縁層の典型的な厚さは、約100nm〜約500nmである。絶縁層は、例えば、約10−12S/cm未満である伝導率を有する伝導性を有してもよい。
絶縁層とソース/ドレイン電極との間に、およびそれらと接触して配置されているのは、半導体層であり、該半導体層の厚さは、一般に、例えば約10nm〜約1μm、または約40〜約100nmである。任意の半導体材料を使用してこの層を形成できる。典型的な半導体材料には、位置規則的な(regioregular)ポリチオフェン、オリゴチオフェン、ペンタセン、ならびにその開示が全体で本願に引用して援用される米国特許第6621099号、6770904号、および6949762号、ならびにC.D.DimitrakopoulosおよびP.R.L.Malenfantによる論文「大面積エレクトロニクスのための有機薄膜トランジスタ(Organic Thin Film Transistors for Large Area Electronics)」Adv.Mater.,12巻、2号、99〜117頁(2002年)中に開示されている半導体ポリマーが含まれる。任意の適切な技術を使用して半導体層を形成できる。1つのこのような方法は、基板、および化合物を粉末形態で保持する供給源容器を含むチャンバーに約10−5〜10−7トルの真空を印加することである。容器を、化合物が基板上に昇華するまで加熱する。半導体層は、一般に、半導体の溶液または分散液のスピン被覆、流し込み、スクリーン印刷、スタンピング、またはジェット印刷などの溶液法によっても製作できる。
絶縁誘電層、ゲート電極、半導体層、ソース電極、およびドレイン電極は、特に、ゲート電極と半導体層との双方が絶縁層に接触している、およびソース電極とドレイン電極との双方が半導体層に接触している実施形態において、任意の順序で形成される。句「任意の順序で」には、逐次的および同時的形成が含まれる。例えば、ソース電極およびドレイン電極は、同時または逐次的に形成できる。薄膜トランジスタの構成、製作、および働きは、その開示が全体で本願に引用して援用される、Baoらの米国特許第6107117号中に記載されている。銀ナノ粒子は、基板、誘電層、または半導体層などの任意の適切な表面上に層として堆積できる。
以下の実施例は、本開示をさらに説明するためのものである。該実施例は、単に例示となるものであって、本明細書中に示す材料、条件、または加工処理パラメーターに対する開示により作製されるデバイスを限定することを意図したものではない。
(実施例1)
酢酸銀(0.84g、5ミリモル)、オレイン酸(2.12g、7.5ミリモル)、および1−ブチルアミン(1.46g、20ミリモル)を、20mLのトルエン中で混合し、50℃で、すべての固体が溶解するまで(5分以内)撹拌した。フェニルヒドラジン(0.30g、2.75ミリモル)のトルエン(5mL)溶液を、激しく撹拌しながら酢酸銀溶液に滴加した。溶液は、暗赤褐色になった。溶液を、50℃でさらに10分間撹拌し、次いで150mLのメタノールに加えた。沈殿を、濾取し、メタノール、アセトンで洗浄し、乾燥した。
収量:0.63g(TGA分析による86%の銀含有量に基づいて99%)。
(実施例2)
酢酸銀(0.84g、5ミリモル)、オレイン酸(2.12g、7.5ミリモル)、およびN,N−ジブチルアミン(2.59g、20ミリモル)を、20mLのトルエン中で混合し、50℃で撹拌した。フェニルヒドラジン(0.30g、2.75ミリモル)のトルエン(5mL)溶液を、激しく撹拌しながら酢酸銀溶液に滴加した。溶液は、暗赤褐色になった。溶液を、50℃でさらに10分間撹拌し、次いで150mLのメタノールに加えた。沈殿を、濾取し、メタノール、アセトンで洗浄し、乾燥した。
収量:0.64g(TGA分析による82%の銀含有量に基づいて97%)。
(実施例3)
酢酸銀(0.84g、5ミリモル)、オレイン酸(2.12g、7.5ミリモル)、およびN,N,N',N'−テトラメチルエチレンジアミン(TMEDA)(2.32g、20ミリモル)を、20mLのヘプタン中で混合し、50℃で、すべての固体が溶解するまで(5分以内)撹拌した。フェニルヒドラジン(0.30g、2.75ミリモル)のトルエン(5mL)溶液を、激しく撹拌しながら酢酸銀溶液に滴加した。溶液は、暗赤褐色になった。溶液を、50℃でさらに10分間撹拌し、次いで150mLのメタノールに加えた。沈殿を、濾取し、メタノール、アセトンで洗浄し、乾燥した。
収量:0.61g(TGA分析による85%の銀含有量に基づいて96%)。
(実施例4)
酸化銀(0.58g、2.5ミリモル)、オレイン酸(2.12g、7.5ミリモル)、およびTMEDA(2.32g、20ミリモル)を、20mLのヘプタン中で混合し、50℃で、すべての固体が溶解するまで(10分以内)撹拌した。フェニルヒドラジン(0.30g、2.75ミリモル)のトルエン(5mL)溶液を、激しく撹拌しながら酢酸銀溶液に滴加した。溶液は、暗赤褐色になった。溶液を、50℃でさらに10分間撹拌し、次いで150mLのメタノールに加えた。沈殿を、濾取し、メタノール、アセトンで洗浄し、乾燥した。
収量:0.63g(TGA分析による78%の銀含有量に基づいて91%)。
(比較例)
酸で安定化された銀ナノ粒子のための2ステップ合成
a.オレイルアミンで安定化された銀ナノ粒子の合成
酢酸銀(3.34g、20ミリモル)およびオレイルアミン(13.4g、50ミリモル)を、40mLのトルエンに溶解し、55℃で5分間撹拌した。フェニルヒドラジン(1.19g、11ミリモル)のトルエン(10mL)溶液を、上記溶液に激しく撹拌しながら滴加した。溶液は、暗赤褐色になった。溶液を、55℃でさらに10分間撹拌し、次いで、アセトン/メタノール(150mL/150mL)の混合物に滴加した。沈殿を、濾取し、アセトンおよびメタノールで簡単に洗浄した。灰色の固体が得られた。
b.オレイン酸で安定化された銀ナノ粒子の合成
上で調製したアミンで安定化された銀ナノ粒子を50mLのヘキサンに溶解し、それを、オレイン酸(14.12g、50ミリモル)のヘキサン(50mL)溶液に室温で滴加した。30分後、ヘキサンを除去し、残留物を撹拌しているメタノール(200mL)中に注いだ。濾過した後、メタノールで洗浄し、乾燥(真空で)して、灰色の固体を得た。
収量:3.05g(TGA分析による68%の銀含有量に基づいて96%)。
(結果)
銀ナノ粒子の粒径および多分散指数(PDI)を、銀ナノ粒子の0.1wt%ヘプタン溶液を使用し、Zetasizerで測定した。
銀ナノ粒子から作製したフィルムの伝導率も測定した。銀ナノ粒子のヘプタン溶液(15wt%)を、0.2ミクロンのフィルターを使用して濾過し、次いで、ガラス基板上に1000rpmの速さで120秒間スピン被覆した。暗褐色の銀ナノ粒子の薄層を有する基板を、空気中、ホットプレート上210℃で30分間加熱し、光沢のある銀の薄膜を得た。銀薄膜の伝導率を、慣用の4探針技術を使用して測定した。
結果を表1に示す。
Figure 0005616597
図5は、実施例1によって形成される粒径および分布を示すグラフである。図6は、実施例2によって形成される粒径および分布を示すグラフである。図7は、実施例3によって形成される粒径および分布を示すグラフである。図8は、実施例4によって形成される粒径および分布を示すグラフである。図9は、比較例によって形成される粒径および分布を示すグラフである。
それらのグラフで、強度は、シグナルの強さを表し、所定の粒径におけるナノ粒子の相対量に相当する。網下百分率(undersize percentage)(グラフの右手)は、所定の粒径未満の粒径を有するナノ粒子の総百分率を表す。一般に、実施例1および2の即時法によって調製される銀ナノ粒子は、比較例に類似した粒径および分布を有した。しかし、錯化剤としてのTMEDAの使用は、より狭い粒子分布を有する銀ナノ粒子を生成した(実施例3および4参照)。1.0×10〜2.9×10S/cmの伝導率範囲は、比較例のそれに類似していた。
10,30,50,70 薄膜トランジスタ(TFT)の配置、12,32,52,72 半導体層、14,34,54,74 絶縁誘導層、18,56 シリコンウェーハ、20,40,60,80 ソース電極、22,42,62,82 ドレイン電極、36,76 基板、38,78 ゲート電極。

Claims (3)

  1. 銀ナノ粒子の製造方法であって、
    銀化合物、カルボン酸、アミン化合物、および任意選択の溶媒を含有する混合物を形成する工程と、
    該混合物を50℃〜100℃の範囲に加熱する工程と、
    該加熱された混合物にヒドラジン化合物を添加する工程と、
    該混合物を反応させて銀ナノ粒子を形成する工程と、を含み、
    前記アミン化合物は、N,N,N’,N’−テトラメチルエチレンジアミンであることを特徴とする銀ナノ粒子の製造方法。
  2. 狭い粒径分布を有する銀ナノ粒子の製造方法であって、
    銀化合物、カルボン酸、およびキレート性ジアミン化合物を含有する混合物を形成する工程と、
    該混合物を50℃〜100℃の範囲に加熱する工程と、
    該混合物にヒドラジン化合物を添加する工程と、
    該混合物を反応させて銀ナノ粒子を形成する工程と、を含み、
    該銀ナノ粒子が、1nm〜50nmの平均直径を有し、且つ前記銀ナノ粒子の最大粒径と最小粒径との差で表される粒径分布の幅が30nm以下であり、
    前記キレート性ジアミン化合物は、N,N,N’,N’−テトラメチルエチレンジアミンであることを特徴とする銀ナノ粒子の製造方法。
  3. 請求項1又は2に記載の方法により得られる銀ナノ粒子を表面に堆積させる工程と、
    該銀ナノ粒子を300℃未満の温度で加熱して伝導素子を形成する工程と、を含む方法によって製造されることを特徴とする伝導素子を備えた薄膜トランジスタ。
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