ナノ粒子の堆積

ナノ粒子の堆積とは、ナノ粒子を基板と呼ばれる固体表面に付着させてナノ粒子のコーティングを作成するプロセスを指します。コーティングは、使用されるコーティング方法に基づいて、単層または多層、組織化された構造または組織化されていない構造を持つことができます。ナノ粒子は、通常、その物理的特性のために堆積が困難です。

ナノ粒子は、金属、セラミック、ポリマーなど、さまざまな材料から作ることができます。ナノ粒子は、表面積と体積の比率が高いことから、非常に高い表面エネルギーを低下させる傾向があるため、ナノ粒子の安定性が問題になることがあります。裸のナノ粒子は、周囲から分子を吸着するか、凝固や凝集によって表面積を低下させることによって、自らを安定化させる傾向があります。 ^[1]通常、これらの凝集体の形成は望ましくありません。ナノ粒子が凝固する傾向は、表面層を変更することで制御できます。液体媒体では、適切なリガンド分子がナノ粒子表面に付着するのが一般的です。これは、適切な溶媒への溶解性を提供し、凝固を防ぐためです。

ナノ粒子を堆積させるには、複数の異なるコーティング方法があります。方法は、粒子の充填密度と層の厚さを制御する能力、さまざまな粒子を使用できる能力、方法の複雑さ、および必要な機器によって異なります。

ラングミュア・ブロジェット法では、特殊なラングミュア・ブロジェットトラフ内の空気と水の界面にナノ粒子を注入する。浮遊粒子はモーター付きバリアで互いに圧縮され、粒子の充填密度を制御できる。粒子を所望の充填密度に圧縮した後、垂直（ラングミュア・ブロジェット）または水平（ラングミュア・シェーファー）浸漬法を使用して固体基板上に転写し、単層コーティングを作成する。制御された多層コーティングは、浸漬手順を複数回繰り返すことで作成できる。^[2]

ラングミュア・ブロジェット法の利点としては、他の方法よりも優れていることが実証されている充填密度と達成される層の厚さに対する確実な制御、^[3]、さまざまな形状や材料の基板や粒子を使用できる機能、たとえばブリュースター角顕微鏡を使用して堆積中に粒子層を特性評価する可能性などが挙げられます。欠点としては、ラングミュア・ブロジェット堆積を成功させるには、浸漬速度、温度、浸漬充填密度など、複数の測定パラメータを最適化する必要があることです。

スピンコーティング法とディップコーティング法は、ナノ粒子を堆積させる簡単な方法です。^{[4]これらは、特に充填密度が重要ではない自己組織化層やフィルム}を 作成する場合に便利なツールです。正確で振動のないサンプルの引き出し速度を使用して、フィルムの厚さを制御できます。これらの方法では充填密度を制御できないため、高密度の単層を作成するのは通常非常に困難です。また、スピンコーティングとディップコーティングの両方に必要なナノ粒子懸濁液の量は多くなるため、高価なナノ粒子材料を使用する場合に問題になる可能性があります。

その他の堆積方法としては、溶媒蒸発、ドクターブレード、化学蒸着、転写印刷による粒子の自己組織化を利用する方法があります。溶媒蒸発などの方法は非常に単純ですが、低品質のフィルムが生成されます。化学蒸着などの他の方法は、特定の種類の粒子や基板には効果的ですが、使用できる粒子の種類が限られており、より多額の機器投資が必要です。また、自己組織化とラングミュア・ブロジェット法を組み合わせたハイブリッド法も使用されています。^[5]

ナノ粒子から作られたコーティングや薄膜は、ディスプレイ、センサー、医療機器、エネルギー貯蔵、エネルギーハーベスティングなど、さまざまな用途に使用されています。例としては、

• 酸化グラフェンのエレクトロニクス分野への応用^[6]
• 金属酸化物、カーボンナノチューブ、量子ドットのナノ粒子を太陽光発電、ディスプレイ、センサーに使用する^{[7] [8]}
• ナノリソグラフィーパターニングにおけるポリマーとナノ複合材料の使用^[9]
• ナノ粒子を使って光を散乱させ、新たな光学効果を生み出す^[10]

• ラングミュア・ブロジェット
• ディップコーティング
• スピンコーティング
• ナノ粒子

• Pdf: 高度に組織化されたナノ粒子薄膜の製造