新技術説明会　様式例

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://j-net21.smrj.go.jp/develop/techno/entry/ 2010010701.html http://weblearningplaza.jst.go.jp/ maintenance.html http://blogs.yahoo.co.jp/miyabiman_ now/25505867.html https://www.sigmaaldrich.com/japan/materialscience/ nano-materials/lumidots/quantumdot-display.html http://www.nrel.gov/ncpv/ http://www.ifs.tohoku.ac. jp/samukawa/previous/s hinbun110621.html http://www.jaist.ac.jp/ricenter/pam ph/maenosono/maenosono01.pdf

F. Erogbogbo et al., ACS Nano, 4, 5131 (2010).

LED技術を用いたEL ディスプレイ

表面電極

裏面電極

電子輸送層

正孔輸送層

石英ガラス

光電変換層

ナノ構造体を利用した無機/有機太陽電池

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 η=3.0%

ルーフ

JR東日本

http://news.livedoor.com/ article/detail/5836037/

電気自動車

ダイムラー社（ドイツ）

http://ibumai.jp/2012/02/1 06_1_0229_dm1408_1.html

サンシェード

仙台市震災復興

計画事業

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

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

ナノ構造体を利用したリチウムイオン二次電池

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

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

_{（理論値）}

4200

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

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

ナノ粒子を用いた微細孔構造の製造技術

ナ ノ 粒 子 を 塗 布 し 、

CH系分子を焼成

ナノ粒子を

CH系分子

で被覆

ナノ粒子

CH系分子

従来技術

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

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

新技術

安価かつ簡便な溶液プロセス手法の採用

シリコンナノ粒子

（100 nm）

ボロン含有

添加剤

リン含有

添加剤

不純物添加剤

フッ化

水素酸

硝酸

エッチング溶媒

過酸化

水素

金属含有

溶剤

ナノ粒子分散

超音波ホモジナ

イザー装置

高温加熱装置

不純物添加

新技術を用いた微細孔形成方法の特長

(1) 金属の核形成

シリコン

金属

+

e

-(2) 金属ナノ粒子の生成によ

る界面の局所酸化

--

_-

-e

-

SiO

2

金属

+

_金属

+

金属

(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

--

金属

HF

SiF

₆

2-(2)、(3)

の繰り返し

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

シリコン

ナノ粒子

微細孔形状の制御

が可能

新技術を用いた微細孔形成方法

微細孔サイズ: 29 nm

50 nm

不純物添加していない場合

ナノ粒子の分散

超音波ホモジ

ナイザー処理

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）

ナノ粒子表面への

金属ナノ粒子形成

HF/金属含有溶剤/

純水混合溶液

撹拌子

ナノ粒子表面への

微細孔形成

HF/H

₂

O

₂

/純水

混合溶液

撹拌子

ナノ粒子に付着

した金属の除去

硝酸

微細孔を有す

るナノ粒子

比表面積：

40

m

2

/g

電子の存在する領域

で

金属イオンの生

成が活性化

(2) 金属ナノ粒子の生成によ

る界面の局所酸化

--

_-

-e

-

SiO

2

金属

+

_金属

+

金属

シリコン領域の

電子数の制御

微細孔状態を変えるための方法

--

_-

-SiO

₂

金属

+

_金属

+

金属

P

e

--

_-

-SiO

₂

金属

+

_金属

+

金属

P

e

--

_-

-SiO

₂

金属

+

_金属

+

金属

P

e

--

_-

-SiO

₂

金属

+

_金属

+

金属

P

e

-➢ リン

添加

リン添加による金属ナノ粒子の生成

--

_-

-SiO

₂

金属

+

_金属

+

金属

B

e

B

B

-ボロン添加による金属ナノ粒子の生成

➢ ボロン

添加

微 細 孔 状 態 の

制御

を達成

新技術を用いた微細孔形成方法

リン不純物を添加した場合

100 nm

微細孔サイズ: 25 nm

ナノ粒子の分散

超音波ホモジ

ナイザー処理

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）

シリコンナノ粒子

内へのリン添加

高温加熱処理

リン含有

添加剤

ナノ粒子の分散

超音波ホモジ

ナイザー処理

破砕ホーン

エタノール

リン添加

シリコン

ナノ粒子

ナノ粒子表面への

金属ナノ粒子形成

HF/金属含有溶剤/

純水混合溶液

撹拌子

ナノ粒子表面への

微細孔形成

HF/H

₂

O

₂

/純水

混合溶液

撹拌子

ナノ粒子に付着

した金属の除去

硝酸

微細孔を有す

るナノ粒子

導電性：

2.27

mS

（アンドープ：67.5 μS）

比表面積：

40

m

2

_/g以上

微細孔サイズ: 45 nm

微細突起サイズ: 33 nm

100 nm

新技術を用いた微細孔形成方法

ボロン不純物を添加した場合

ナノ粒子の分散

超音波ホモジ

ナイザー処理

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）

シリコンナノ粒子

内へのボロン添加

高温加熱処理

ボロン含

有添加剤

ナノ粒子の分散

超音波ホモジ

ナイザー処理

破砕ホーン

エタノール

リン添加

シリコン

ナノ粒子

ナノ粒子表面への

金属ナノ粒子形成

HF/金属含有溶剤/

純水混合溶液

撹拌子

ナノ粒子表面への

微細孔形成

HF/H

₂

O

₂

/純水

混合溶液

撹拌子

ナノ粒子に付着

した金属の除去

硝酸

微細孔を有す

るナノ粒子

導電性：

2.16

mS

（アンドープ：67.5 μS）

溶解反応

SiO

₂

+4

HF

→SiF

₄

+2H

₂

O, SiF

₄

+2

HF

→H

₂

SiF

₆

(1) 酸化層の形成

シリコン

SiO

₂

(2) HFによる酸化

領域のエッチング

酸化反応

Si+2

H

₂

O

₂

→SiO

₂

+2H

₂

O

酸化反応に注目!!

シリコン領域の制御

👉

多

：

ボロン

添加

少

：

リン

添加

✓ シリコン

領域

新技術を用いた微細突起形成方法の特長

微細突起形状の制御

が

可能

シリコン

ナノ粒子

(1)、(2)

の繰り返し

微細孔サイズ: 45 nm

微細突起サイズ: 33 nm

100 nm

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

ナノ粒子の分散

超音波ホモジ

ナイザー処理

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）

シリコンナノ粒子

内へのボロン添加

高温加熱処理

ボロン含

有添加剤

ナノ粒子の分散

超音波ホモジ

ナイザー処理

破砕ホーン

エタノール

リン添加

シリコン

ナノ粒子

ナノ粒子表面への

金属ナノ粒子形成

HF/金属含有溶剤/

純水混合溶液

撹拌子

ナノ粒子表面への

微細孔形成

HF/H

₂

O

₂

/純水

混合溶液

撹拌子

ナノ粒子に付着

した金属の除去

硝酸

微細孔を有す

るナノ粒子

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

裏面電極

基板

_{n型多孔質}

Siナノ粒子

p型有機材料

表面電極

リチウム含有

金属酸化物

（LiCoO

₂

）

多孔質Si

ナノ粒子

http://inorg777.apchem.ues.tmu.ac.jp/japanese/ research/lithiumintro.html

容量：C：370mAh/g

Si：4200 mAh/g

• 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

https://www.amed.go.jp/news/release_20170503.html

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

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

• 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 ：10月出願予定

• 出願人

：学校法人東京電機大学

• 発明者

：佐藤慶介 他

本技術に関する知的財産権

産学連携の経歴

• 2005年-2007年 大手電機・製造メーカーと研究実施

• 2006年-2007年 大手電機メーカーと共同研究実施

• 2007年-2008年 大手電機メーカーと研究実施

• 2008年-2009年 電機メーカーと研究実施

• 2013年-2014年 大手電機メーカーと共同研究実施

• 2016年-2017年 製造メーカーと共同研究実施

JST研究成果展開事業

ﾏｯﾁﾝｸﾞﾌﾟﾗﾝﾅｰﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑに採択

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

03−5284−5225

ＦＡＸ

03−5284−5242

e-mail crc＠jim.dendai.ac.jp