Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

ゼオライト / 単結晶 / 薄膜 / 核発生 / 結晶成長 / ホスト / ゲスト / エピタキシャル

分子サイズの空間を有するゼオライトは触媒、吸着剤として幅広く実用化されており、その薄膜も分子認識機能を有するセンサーや分離膜としての利用に期待が集まっている。一方で、マイクロ多孔性材料は、さまざまなナノ構造を作製する上での「ホスト」・「鋳型」として利用することに期待されている。これらを達成するためには、従来の多結晶の薄膜ではなく、粒界が存在せずに、細孔が特定の報告に完全に配向した単結晶薄膜の創出が不可欠である。本研究においては、既に実用化されているセンチメーターレベルの単結晶基板を用い、ゼオライト及びその類縁物質の単結晶薄膜を合成すること並びにこれらをホストとしてナノ構造体を創出することを目指す。初年度は格子の整合する基板の利用や基板表面への構造規剤分子の固定を検討したが、いずれも目的とするゼイライト薄膜の製膜に到らなかった。
そこで本年度は以下の2つの方法で検討を進めた。そこで本年度は、まずゲル中での結晶核生成前後のナノ粒子の配向付着の可能性を検討した。様々なサイズのパターンを有する基板表面で核生成をさせることで、核の配向付着の可能性を探ったが、必ずしもパターンの構造が薄膜の構造を支配するには到らなかった。
そこで、基板そのものをゼオライトに転換する方法を開発し、パターン化した基板をゼオライトに転換することで、核の配向を制御することを考えた。シリコンウェファーを素材とし、その表面にテトラプロピルアンモニウム水酸化物(TPAOH)をコーティング、乾燥後、水蒸気下で処理することで、シリコンをSi-ZSM-5に転換することに成功した。パターン化処理を施していないSiに対しては、面外にb軸配向した薄膜を合成することに成功した。現在パターン化し表面での検討を行っている段階である。同法で配向核を形成し、それをエピタキシャル成長させることで目的とする構造を形成できるものと考えている。

セオライト / 分子ふるい / 触媒 / 単結晶 / 薄膜 / エピタキシャル成長 / ナノ構造 / 拡散 / ゼオライト

本研究の目的は
・種々の評価や応用が可能なセンチメーターレベルのゼオライト単結晶の合成
・異なる細孔を接合させるための単結晶上でのゼオライト薄膜のエピタキシャル成長
・このような場による分子操作
の3点である。十分大きな単結晶の合成とこれを基板とした薄膜化技術を開発することができれば、一次元の分子レベルの細孔を三次元の細孔とつなぎその先で封止するというような究極の構造制御、およびこれをもとにした特殊操作場の創出が可能となる。
昨年までの検討により、テストチューブを用いた貴金属カプセル法により、高温高圧の水熱合成法で、種結晶を用いない自発的核発生により最大1mm径のソーダライトの単結晶が得られた。そこでこの知見を踏まえて、テストチューブ内容積全体を反応場として用いることを検討した。具体的には金ライナーを用いて、テストチューブ内壁をすべて金で被うことにより、反応場の体積を20倍に増加させることができた。カプセル法では再現性の確認できる領域は〜0.5mmであったが、反応場体積を飛躍的に向上させることにより、再現性よくミリメーターサイズの単結晶合成が可能になった。また合成操作を繰り返すことにより、最大3mmの品質のよい単結晶合成が可能となった。
薄膜合成に関しては、種結晶合成時に温度を変化させたところ、ソーダライト単結晶上にカンクリナイト単結晶成長したサンプルを得ることができた。そこで、この条件を種結晶存在下で実現すべく、種々の条件を変えて現在も検討を行っている。また3mmの結晶では目的とする結晶面があらわれていないので、この面を切り出した上での、カンクリナイトのヘテロエピタキシャル成長を検討している。