JP2007169763A - Metal nanoparticles comprising two or more metals and method for forming the same - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、光化学反応を用いて、媒体中に二種以上の金属からなる金属ナノ粒子を効率的に形成する方法を提供する。
【解決手段】媒体中に二種以上の金属からなる金属ナノ粒子を形成する方法であって、光励起によってラジカルを生じるラジカル前駆体及び二種以上の金属イオン又は金属錯体を含んだ媒体に、励起光を照射することを特徴とする形成方法、及び、該形成方法により媒体中に形成された金属ナノ粒子。
【選択図】なしThe present invention provides a method for efficiently forming metal nanoparticles comprising two or more metals in a medium using a photochemical reaction.
A method of forming metal nanoparticles composed of two or more kinds of metals in a medium, wherein a radical precursor that generates radicals by photoexcitation and a medium containing two or more kinds of metal ions or metal complexes are excited. A formation method characterized by irradiating light, and metal nanoparticles formed in a medium by the formation method.
[Selection figure] None
Description
本発明は、光化学反応を用いて、媒体中に二種以上の金属からなる金属ナノ粒子を作成する方法に関する。 The present invention relates to a method for producing metal nanoparticles composed of two or more metals in a medium using a photochemical reaction.
ナノサイズの金属粒子である金属ナノ粒子は様々な応用の可能性が指摘されており、実用化に向けての研究が盛んに進んでいる。それを受けて、気相から溶液、ミセル、またはゾル、ゲルなどのソフトマテリアル、ガラスなどの固体に至るまで、様々な条件下で金属ナノ粒子を作成する方法が開発されている。 The possibility of various applications of metal nanoparticles, which are nano-sized metal particles, has been pointed out, and research for practical application is actively progressing. In response, methods for producing metal nanoparticles under a variety of conditions have been developed, from the gas phase to solutions, micelles, soft materials such as sols and gels, and solids such as glass.
ゲル、ゾル、フィルムなどのポリマーマトリクス中に作成された金属ナノ粒子は金属ナノ粒子−ポリマー複合材料としての機能を持つため、非線形光学材料、フォトイメージング、フォトパターニング、磁気材料やセンサーとしての応用が期待されている(例えば、非特許文献1〜3等)。
Metal nanoparticles created in polymer matrices such as gels, sols, and films have functions as metal nanoparticle-polymer composites, so they can be used as nonlinear optical materials, photoimaging, photopatterning, magnetic materials, and sensors. It is expected (for example,
金属ナノ粒子のなかでも二種類以上の金属からなるものは、用途に応じ調整可能な光学的、電気化学的な性質を持つため、さらに広い用途に応用することが可能であると考えられる。 Among metal nanoparticles, those composed of two or more kinds of metals have optical and electrochemical properties that can be adjusted according to the application, and thus can be applied to a wider range of applications.
媒体中に一種類の金属からなる金属ナノ粒子を作成する方法は盛んに研究されているが、二種類以上の金属からなる金属ナノ粒子の作成方法は、充分な研究がなされているとは言いがたい。 Although methods for producing metal nanoparticles composed of one kind of metal in a medium have been extensively studied, it has been said that sufficient research has been conducted on methods for producing metal nanoparticles composed of two or more kinds of metals. It ’s hard.
二種以上の金属からなるナノ粒子(マルチメタルナノ粒子)の作成方法として現在研究されているのは、化学的還元法であり、これは複数の金属イオンを含む溶液を化学的方法によって還元する方法である。または、あらかじめ作成した核の周囲に他の金属を化学的手法によって析出させるという方法もある。 Currently, a chemical reduction method is being studied as a method for producing nanoparticles composed of two or more metals (multi-metal nanoparticles), which reduces a solution containing multiple metal ions by a chemical method. Is the method. Alternatively, there is a method in which another metal is deposited around a nucleus prepared in advance by a chemical method.
しかし、これらはいずれも化学的還元法であり、光の空間分解能を生かした光化学的還元法を用いて、媒体中に二種以上の金属からなる金属ナノ粒子を作成する報告例はない。また、これらの手法によって、固体媒体(樹脂等)中にマルチメタルナノ粒子を作成するのは困難である。
本発明の目的は、光化学反応を用いて、媒体中に二種以上の金属からなる金属ナノ粒子を効率的に形成する方法を提供することにある。具体的には、媒体中に二種以上の金属からなる、合金、コアシェル等の多様な構造を有する金属ナノ粒子を効率的に形成する方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a method for efficiently forming metal nanoparticles composed of two or more metals in a medium using a photochemical reaction. Specifically, an object of the present invention is to provide a method for efficiently forming metal nanoparticles having various structures such as an alloy and a core-shell made of two or more metals in a medium.
本発明の目的は、さらに、該形成方法により得られる金属ナノ粒子を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide metal nanoparticles obtained by the forming method.
本発明者は、上記の課題を解決するため鋭意研究を行った結果、次のような知見を得た。 As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventor has obtained the following knowledge.
ラジカルは一般的にその親分子(ラジカル前駆体)よりもはるかに高い還元力を持つことが知られている。例えば、芳香族ラジカルの一つであるベンゾフェノンケチルラジカルの半波電位は、-0.25 V vs. SCE と報告されていて、非常に高い還元力を有している。 It is known that a radical generally has a much higher reducing power than its parent molecule (radical precursor). For example, the half-wave potential of a benzophenone ketyl radical, which is one of aromatic radicals, is reported as -0.25 V vs. SCE, and has a very high reducing power.
ラジカル前駆体を光化学的手法(ランプやレーザー照射等)で処理して得られるラジカルは、高い還元力を持つ活性中間体となり還元剤として機能する。この還元剤を用いて、共存する二種類以上の金属錯体又は金属イオンを同時に又は連続的に還元し、二種類以上の金属からなる金属ナノ粒子を製造することができることを見出した。 A radical obtained by treating a radical precursor with a photochemical method (such as lamp or laser irradiation) becomes an active intermediate having a high reducing power and functions as a reducing agent. It has been found that by using this reducing agent, two or more kinds of metal complexes or metal ions coexisting can be reduced simultaneously or successively to produce metal nanoparticles composed of two or more kinds of metals.
具体的には、例えば、媒体中にてラジカルにより金属錯体又は金属イオンを同時に還元することにより、二種類以上の金属からなる金属ナノ粒子を作成できること、或いは、媒体中にてラジカルにより金属錯体又は金属イオンを還元して該金属ナノ粒子の核(コア)を形成した後、連続して、共存する金属錯体又は金属イオンを該核表面で還元させて殻(シェル)を堆積させることにより、コアシェル型(或いは多層構造型)の二種類以上の金属からなる金属ナノ粒子を形成できることを見出した。 Specifically, for example, by simultaneously reducing a metal complex or metal ion with a radical in a medium, metal nanoparticles composed of two or more kinds of metals can be created, or a metal complex or a radical with a radical in the medium After the metal ions are reduced to form the cores of the metal nanoparticles, the coexisting metal complexes or metal ions are continuously reduced on the surface of the cores to deposit the shells. It has been found that metal nanoparticles composed of two or more types of metal (or multilayer structure type) can be formed.
特に、後者のコアシェル型の金属ナノ粒子は、核(コア)を形成する金属とそれを取り巻く殻(シェル)を形成する金属からなり、核表面で金属イオンが還元される場合、金属イオンの還元電位が上昇することを利用して形成される。 In particular, the latter core-shell type metal nanoparticles are composed of a metal that forms a core and a metal that forms a shell (shell) surrounding the metal. When metal ions are reduced on the surface of the core, the metal ions are reduced. It is formed by utilizing the increase in potential.
かかる知見に基づき、さらに研究を重ねた結果、本発明を完成するに至った。 As a result of further research based on this knowledge, the present invention has been completed.
即ち、本発明は、以下の媒体中に二種以上の金属からなる金属ナノ粒子を形成する方法、及び該形成方法により形成された金属ナノ粒子に関する。 That is, this invention relates to the method of forming the metal nanoparticle which consists of 2 or more types of metals in the following media, and the metal nanoparticle formed by this formation method.
項1.媒体中に二種以上の金属からなる金属ナノ粒子を形成する方法であって、光励起によってラジカルを生じるラジカル前駆体及び二種以上の金属イオン又は金属錯体を含んだ媒体に、励起光を照射することを特徴とする形成方法。
項2.前記ラジカル前駆体が、ビスアリールケトン類、アリールアルキルケトン類、ベンゾイン、ベンジル、又はキノン類である項1に記載の形成方法。
Item 2. Item 2. The method according to
項3.前記励起光が、レーザー光又はランプ光であり、かつ、ラジカル前駆体を励起し得る波長を有する項1に記載の形成方法。
Item 3. Item 2. The method according to
項4.前記二種以上の金属イオン又は金属錯体を構成する金属が、パラジウム、鉄、銅、ニッケル、金、銀及び白金からなる群より選ばれる少なくとも二種であるである項1に記載の形成方法。
Item 4. Item 2. The forming method according to
項5.前記媒体が、固体媒体又は液体媒体である項1に記載の形成方法。
Item 5. Item 2. The forming method according to
項6.形成される二種以上の金属からなる金属ナノ粒子が、二種以上の金属からなる合金であるか又はコアシェル構造体である項1に記載の形成方法。
Item 6. Item 2. The forming method according to
項7.前記項1〜6のいずれかに記載の形成方法により媒体中に形成された金属ナノ粒子。
Item 7. Metal nanoparticles formed in a medium by the formation method according to any one of
以下、本発明を詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail.
本発明は、ラジカル前駆体及び二種以上の金属イオン又は金属錯体を含んだ媒体に、励起光を照射して、媒体中に二種以上の金属からなる金属ナノ粒子を形成する方法である。つまり、所定のラジカル前駆体を含む媒体に励起光を照射してラジカルを生成させ、該ラジカルにより、二種以上の金属イオン又は金属錯体を同時、もしくは連続的に還元することにより、二種類以上の金属からなる金属ナノ粒子を生成させる方法である。 The present invention is a method of irradiating a medium containing a radical precursor and two or more metal ions or metal complexes with excitation light to form metal nanoparticles composed of two or more metals in the medium. In other words, two or more types can be obtained by irradiating a medium containing a predetermined radical precursor with excitation light to generate radicals, and simultaneously or successively reducing two or more metal ions or metal complexes with the radicals. This is a method for producing metal nanoparticles composed of the above metals.
ラジカル前駆体
本発明で用いる「ラジカル前駆体」とは、光照射により直接励起される化合物であり、その励起状態が共存する媒体等から水素やハロゲン等を引き抜いたり、又は、該励起状態が結合開裂することによってラジカルを生じる性質を有する化合物を意味する。
Radical Precursor The “radical precursor” used in the present invention is a compound that is directly excited by light irradiation. Hydrogen or halogen is extracted from a medium in which the excited state coexists, or the excited state is bonded. It means a compound having the property of generating radicals by cleavage.
ラジカル前駆体としては、上記の性質を有していれば特に限定はなく、広範な化合物を用いることができる。例えば、ベンゾフェノン、4−メトキシベンゾフェノン、ナフチルフェニルケトン、4−ベンゾイルビフェニル、ビス−ビフェニル−4−イル−メタノン等のビスアリールケトン類;アセトフェノン等のアリールアルキルケトン類;ジフェニルメタン、ジナフチルメタン等のビスアリールメタン類;ジフェニルメチルクロリド、ジナフチルメチルクロリド等のビスアリールメチルハライド類;ベンゾイン;ベンゾキノン、アントラキノン等のキノン類などが挙げられる。このうち、光励起状態が高い水素やハロゲン等の引き抜き能力を持ち、生成するラジカルが金属イオン又は金属錯体に対し比較的高い還元能を持つ点から、ビスアリールケトン類、特にベンゾフェノン又はその誘導体が好適である。 The radical precursor is not particularly limited as long as it has the above properties, and a wide range of compounds can be used. For example, bisaryl ketones such as benzophenone, 4-methoxybenzophenone, naphthylphenyl ketone, 4-benzoylbiphenyl, bis-biphenyl-4-yl-methanone; arylalkyl ketones such as acetophenone; bis such as diphenylmethane and dinaphthylmethane Arylmethanes; bisarylmethyl halides such as diphenylmethyl chloride and dinaphthylmethyl chloride; benzoins; quinones such as benzoquinone and anthraquinone. Of these, bisaryl ketones, particularly benzophenone or derivatives thereof are preferred from the viewpoint that the photoexcited state has a high ability to extract hydrogen, halogen, and the like, and the generated radical has a relatively high reducing ability for metal ions or metal complexes. It is.
具体的には、例えば、ビスアリールケトン類、アリールアルキルケトン類等は、励起光により励起されると一旦三重項励起状態を生成し、これが共存する水素またはハロゲン供与体から水素やハロゲン等を引き抜いてラジカルを生じる。また、ビスアリールメタン類等は、励起光により生じた励起状態からのC−H結合開裂によって、またビスアリールメチルハライド類は励起光により生じた励起状態からのC−ハロゲン結合開裂によってラジカルを生じる。 Specifically, for example, bisaryl ketones, arylalkyl ketones, and the like once generate a triplet excited state when excited by excitation light, and extract hydrogen, halogen, etc. from the coexisting hydrogen or halogen donor. To generate radicals. Bisarylmethanes and the like generate radicals by C—H bond cleavage from an excited state generated by excitation light, and bisarylmethyl halides generate radicals by C-halogen bond cleavage from an excited state caused by excitation light. .
このラジカルからの電子移動により金属イオン又は金属錯体を還元する。この様に、ラジカル前駆体は、媒体中での光励起及び光化学反応によってラジカルを生成し、該ラジカルによって金属イオン又は金属錯体を還元する、いわゆるドーパントとして用いられる。 Metal ions or metal complexes are reduced by electron transfer from the radicals. In this manner, the radical precursor is used as a so-called dopant that generates a radical by photoexcitation and photochemical reaction in a medium and reduces a metal ion or metal complex by the radical.
金属イオン又は金属錯体
本発明で用いる金属イオン又は金属錯体は、電子を受容して0価の金属に還元されるものであれば特に限定はない。また、金属イオン又は金属錯体は、二種以上の金属を含むものである。
Metal Ion or Metal Complex The metal ion or metal complex used in the present invention is not particularly limited as long as it accepts electrons and is reduced to a zero-valent metal. Moreover, a metal ion or a metal complex contains 2 or more types of metals.
金属イオン又は金属錯体を構成する金属としては、例えば、鉄、銅、ニッケル、金、銀、白金などが挙げられる。すなわち、金属イオンとしては、鉄イオン、銅イオン、ニッケルイオン、金イオン、銀イオン、白金イオンなどが例示され、また、金属錯体としては、HAuCl4、AgNO2、PtCl4、Cu(CH3COO)2、FeCl3、AuCl3などが例示される。金属イオン又は金属錯体は、ラジカルの還元力に応じて、上記のうちから二種以上の金属を含むように適宜選択することができる。 As a metal which comprises a metal ion or a metal complex, iron, copper, nickel, gold | metal | money, silver, platinum etc. are mentioned, for example. That is, examples of metal ions include iron ions, copper ions, nickel ions, gold ions, silver ions, and platinum ions, and examples of metal complexes include HAuCl 4 , AgNO 2 , PtCl 4 , Cu (CH 3 COO ) 2 , FeCl 3 , AuCl 3 and the like. A metal ion or a metal complex can be appropriately selected so as to contain two or more kinds of metals from among the above, depending on the reducing power of the radical.
具体的な組み合わせとしては、金イオン/銅イオン、金イオン/銀イオン、
金イオン/鉄イオン、プラチナイオン/鉄イオン等が例示される。より具体的には、HAuCl4/Cu(CH3COO)2、HAuCl4/FeCl3等が例示される。そのうち好ましくは、HAuCl4/Cu(CH3COO)2である。
Specific combinations include gold ion / copper ion, gold ion / silver ion,
Examples include gold ions / iron ions, platinum ions / iron ions, and the like. More specifically, HAuCl 4 / Cu (CH 3 COO) 2 , HAuCl 4 / FeCl 3 and the like are exemplified. Of these, HAuCl 4 / Cu (CH 3 COO) 2 is preferable.
媒体
本発明において金属ナノ粒子が形成される媒体としては、各種固体媒体又は液体媒体を用いることができる。本発明で用いられる固体媒体又は液体媒体としては、前記ラジカル前駆体及び金属イオン等を分散乃至溶解できるものであり、かつ、ラジカルの生成が可能なものであれば特に限定はない。
Medium As the medium on which the metal nanoparticles are formed in the present invention, various solid media or liquid media can be used. The solid medium or liquid medium used in the present invention is not particularly limited as long as it can disperse or dissolve the radical precursor and metal ions, and can generate radicals.
例えば、ミセル(例えば、ポリスチレン−ポリ−4−ビニルピリジン等)、樹脂(例えば、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリビニルアセテート(PVAc)等)、ゼオライト、ガラスなどの固体媒体、水、有機溶媒(例えば、メタノール、エタノール、2−プロパノ−ル、ベンゼン、トルエン、メチルテトラヒドロフラン等)等の液体媒体の使用が可能である。いずれの固体媒体又は液体媒体を用いる場合でも、その中に均質な金属ナノ粒子を形成するためには、ラジカル前駆体、ラジカル前駆体、及び金属イオン又は金属錯体を均一に分散乃至溶解できるものが好ましい。 For example, micelles (for example, polystyrene-poly-4-vinylpyridine, etc.), resins (for example, polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl acetate (PVAc), etc.), zeolites, solid media such as glass, water, organic solvents (for example, It is possible to use a liquid medium such as methanol, ethanol, 2-propanol, benzene, toluene, methyltetrahydrofuran and the like. Whatever solid medium or liquid medium is used, in order to form homogeneous metal nanoparticles therein, radical precursors, radical precursors, and metal ions or metal complexes can be uniformly dispersed or dissolved. preferable.
なお、媒体中におけるラジカル前駆体、金属イオン又は金属錯体の濃度は、特に限定はなく広範な範囲から適宜選択することができる。例えば、媒体(例えば、PVA等)中におけるラジカル前駆体の濃度は、例えば、5〜50mol/L程度、好ましくは20〜30mol/L程度であればよい。また、媒体中における金属イオン又は金属錯体の濃度は、例えば、0.1〜10mol/L程度、好ましくは1〜5mol/L程度であればよい。媒体中の各成分の濃度が上記の範囲であれば、ラジカルから金属イオン又は金属錯体への電子移動が容易となり、金属ナノ粒子を効率的に形成することができる。 The concentration of the radical precursor, metal ion or metal complex in the medium is not particularly limited and can be appropriately selected from a wide range. For example, the concentration of the radical precursor in the medium (for example, PVA) may be, for example, about 5 to 50 mol / L, preferably about 20 to 30 mol / L. The concentration of the metal ion or metal complex in the medium is, for example, about 0.1 to 10 mol / L, preferably about 1 to 5 mol / L. When the concentration of each component in the medium is within the above range, electron transfer from a radical to a metal ion or metal complex is facilitated, and metal nanoparticles can be efficiently formed.
なお、本発明の方法は、これらの濃度に限定されるわけではなく、本方法が適用できるすべての金属イオン又は金属錯体、媒体、ラジカル前駆体等の組み合わせによって、広範囲の濃度条件下で実施が可能である。 The method of the present invention is not limited to these concentrations, and can be carried out under a wide range of concentration conditions by combining all metal ions or metal complexes, media, radical precursors, etc. to which the method can be applied. Is possible.
媒体(固体媒体又は液体媒体)中にラジカル前駆体及び金属イオン又は金属錯体を溶解乃至分散させる方法として、例えば次のような方法が例示できる。 Examples of the method for dissolving or dispersing the radical precursor and the metal ion or metal complex in the medium (solid medium or liquid medium) include the following methods.
液体媒体を用いた場合は、ラジカル前駆体及び二種以上の金属イオン又は金属錯体を該液体媒体中に入れて均一に混合し、溶解又は分散すればよい。 When a liquid medium is used, the radical precursor and two or more kinds of metal ions or metal complexes may be placed in the liquid medium, mixed uniformly, and dissolved or dispersed.
固体媒体を用いた場合、特に樹脂を用いた場合は、ドーパントであるラジカル前駆体、金属イオン又は金属錯体、及び樹脂を、いずれも溶解し得る溶媒(例えば、水、蟻酸、酢酸、アルコール類、アセトニトリル、DMF、エチレングリコールもしくはこれらの混合物等)に溶解し、これを所望の形状に成形して溶媒を除去すればよい。 When a solid medium is used, particularly when a resin is used, a radical precursor, metal ion or metal complex as a dopant, and a solvent that can dissolve all of the resin (for example, water, formic acid, acetic acid, alcohols, Acetonitrile, DMF, ethylene glycol, or a mixture thereof, etc.), which is molded into a desired shape to remove the solvent.
成形の方法は特に限定はなく、その形状に応じて射出成形、押出成形、スピンコート等の公知の方法を採用すればよい。形状は用途に応じて選択でき、例えば、フィルム、シート等の平面状、或いは立方体、直方体、球、その他任意の三次元形状にすることも可能である。三次元形状にする場合は、その強度を向上させるため、必要に応じ樹脂に架橋剤を添加して架橋処理を施しても良い。 The molding method is not particularly limited, and a known method such as injection molding, extrusion molding, spin coating or the like may be employed depending on the shape. The shape can be selected according to the application, and for example, it can be a flat shape such as a film or a sheet, a cube, a rectangular parallelepiped, a sphere, or any other three-dimensional shape. In the case of a three-dimensional shape, in order to improve the strength, a crosslinking agent may be added to the resin as necessary to perform a crosslinking treatment.
また、固体媒体としてゼオライトを用いた場合は、ドーパントであるラジカル前駆体、金属イオン又は金属錯体、及び水素供与体を、いずれも溶解し得る溶媒に溶解し、ゼオライト中に取り込ませればよい。 Further, when zeolite is used as the solid medium, the radical precursor, metal ion or metal complex, and hydrogen donor, which are dopants, may be dissolved in a solvent that can dissolve them and incorporated into the zeolite.
金属ナノ粒子の形成
次に、上記のようにして作成した、媒体中にラジカル前駆体、及び金属イオン又は金属錯体を含む複合物に、励起光を照射して媒体中に金属ナノ粒子を形成する。
Formation of metal nanoparticles Next, the composite material containing a radical precursor and a metal ion or metal complex prepared as described above is irradiated with excitation light to form metal nanoparticles in the medium. .
本発明の形成方法は、光反応によって生じるラジカルの高い還元応力を利用し、媒体中に二種類以上の金属からなる金属ナノ粒子を作成することができるという特徴を有している。 The formation method of the present invention is characterized in that metal nanoparticles composed of two or more kinds of metals can be produced in a medium by utilizing a high reduction stress of radicals generated by a photoreaction.
金属イオン又は金属錯体を還元して金属ナノ粒子を形成するには、まず媒体中で還元剤として機能するラジカルを生成させる必要がある。光源によって媒体中にドープされたラジカル前駆体を励起して、光化学反応によってラジカルを生成させる。適切な金属イオン又は金属錯体の存在下では、生成したラジカルからの電子移動により金属イオン又は金属錯体の還元反応が起こり、金属ナノ粒子の種結晶が生じる。 In order to reduce metal ions or metal complexes to form metal nanoparticles, it is first necessary to generate radicals that function as a reducing agent in a medium. A radical precursor doped in a medium is excited by a light source, and a radical is generated by a photochemical reaction. In the presence of an appropriate metal ion or metal complex, a reduction reaction of the metal ion or metal complex occurs due to electron transfer from the generated radical, and a seed crystal of metal nanoparticles is generated.
この場合、金属ナノ粒子の形成過程として次の二つが考えられる。(1)ラジカルが、共存する複数の金属イオン又は金属錯体(An+及びBn+)を同時に還元できる場合には、複数の金属からなる合金のナノ粒子又はその凝集体(A及びB)が形成される(図1(a)を参照)。(2)ラジカルが、共存する複数の金属イオン又は金属錯体のうち一つ(An+)が選択的に還元できる場合には、還元によって核が形成される。共存する金属イオン又は金属錯体(Cn+)が、ラジカルにより該核表面でさらに還元されることにより該核表面に析出(堆積)する。これにより、コアシェル型或いは二層構造型のバイメタルナノ粒子が形成される(図1(b)及び図2を参照)。なお、複数種の金属が存在する場合は多層構造型のマルチメタルナノ粒子を形成できる。 In this case, the following two processes are considered as the formation process of the metal nanoparticles. (1) When a radical can simultaneously reduce a plurality of coexisting metal ions or metal complexes (A n + and B n + ), an alloy nanoparticle composed of a plurality of metals or an aggregate thereof (A and B) is formed. (See FIG. 1 (a)). (2) When one (A n + ) of a plurality of metal ions or metal complexes in which radicals coexist can be selectively reduced, a nucleus is formed by the reduction. The coexisting metal ion or metal complex (C n + ) is further reduced (deposited) on the surface of the nucleus by being further reduced on the surface of the nucleus by radicals. Thereby, the core-shell type or bilayer structure type bimetallic nanoparticles are formed (see FIG. 1B and FIG. 2). In addition, when multiple types of metals are present, multi-layered multi-metal nanoparticles can be formed.
なお、図1及び図2中、例えば、An+/Aatomは単一の金属イオン(An+)が還元されて金属原子(Aatom)になる過程を意味し、An+/Ametalは、金属表面で金属イオンが還元されて金属表面に堆積(Ameta)する過程を意味する。 1 and 2, for example, A n + / A atom means a process in which a single metal ion (A n + ) is reduced to become a metal atom (A atom ), and A n + / A metal is It means a process in which metal ions are reduced and deposited on the metal surface (A meta ).
上記(2)の場合、即ち、媒体中の金属ナノ粒子表面で金属イオン又は金属錯体が還元されて金属ナノ粒子が成長する場合は、上記(1)の場合、即ち、媒体中で金属イオン又は金属錯体が還元されて金属原子が形成される場合に比べ、還元電位が大きく上昇する(還元されやすくなる)。この現象は、同一の金属イオン又は金属錯体が還元される場合に限らない。すなわち、通常では還元することの難しい金属イオン又は金属錯体であっても、金属の表面においてならば容易に還元することができるのである。 In the case of (2) above, that is, when metal ions or metal complexes are reduced on the surface of the metal nanoparticles in the medium to grow metal nanoparticles, in the case of (1) above, that is, metal ions or Compared with the case where a metal complex is reduced to form a metal atom, the reduction potential is significantly increased (reduced easily). This phenomenon is not limited to the case where the same metal ion or metal complex is reduced. That is, even metal ions or metal complexes that are usually difficult to reduce can be easily reduced on the metal surface.
この点については、例えば、Kaushik Mallik, Madhuri Mandal, Narayan Pradhan, and Tarasankar Pal. Nano lett. 2001, 6, 319には、水溶液中において、AuIII/Auatom(aqueous)の還元電位は-1.5 V (vs. NHE)であるが、AuIII/Aumetal(aqueous)の還元電位は+1.5 V (vs. NHE)となることが報告されていることからも、容易に理解できる。 In this regard, for example, Kaushik Mallik, Madhuri Mandal, Narayan Pradhan, and Tarasankar Pal.Nano lett. 2001, 6, 319, the reduction potential of Au III / Au atom (aqueous) is −1.5 V in aqueous solution. (vs. NHE), but the reduction potential of Au III / Au metal (aqueous) has been reported to be +1.5 V (vs. NHE), which can be easily understood.
本発明の形成方法によれば、その過程によって様々な形状、比率をもつ二種以上の金属からなる金属ナノ粒子を作成することができる。 According to the forming method of the present invention, metal nanoparticles composed of two or more kinds of metals having various shapes and ratios can be produced according to the process.
光源からの励起光の波長は、ラジカル前駆体の構造・性質、還元しようとする金属イオン又は金属錯体の種類等に応じて当業者が適宜選択して設定できる。例えば、励起光の波長は、通常180 nm〜800 nm程度、特に180〜532 nm程度の範囲であればよい。具体例として、ラジカル前駆体としてベンゾフェノンを用いた場合、ベンゾフェノンを三重項励起状態に励起する励起光の波長は、通常180〜360nm程度であれば良い。 The wavelength of the excitation light from the light source can be appropriately selected and set by those skilled in the art according to the structure and properties of the radical precursor, the type of metal ion or metal complex to be reduced, and the like. For example, the wavelength of the excitation light is usually in the range of about 180 nm to 800 nm, particularly about 180 to 532 nm. As a specific example, when benzophenone is used as a radical precursor, the wavelength of excitation light that excites benzophenone to a triplet excited state may be usually about 180 to 360 nm.
励起光の光源としては、Nd:YAGレーザー、エキシマーレーザー等のレーザー光、水銀灯、Xe-ランプなどのランプ光などが用いられる。レーザー光にはパルス光と連続発振光(continuous-wave light)があるが、いずれも用いることができる。また、ランプ光は通常連続発振光のみであるが、機械的手段によってパルス化にして用いることも可能である。レーザー照射では、ランプによる光照射に比較してより高効率で金属ナノ粒子を作成できるだけでなく、レーザーの持つ空間分解能を得ることができるため好ましい。 As a light source of excitation light, laser light such as Nd: YAG laser and excimer laser, lamp light such as mercury lamp and Xe-lamp, and the like are used. Laser light includes pulsed light and continuous-wave light, both of which can be used. In addition, the lamp light is usually only continuous wave light, but it can also be used in a pulsed manner by mechanical means. Laser irradiation is preferable because it can not only produce metal nanoparticles with higher efficiency than light irradiation by a lamp, but also obtain the spatial resolution of the laser.
この様にして、媒体中にその平均粒子径が、1〜100nm程度、特に4〜10nm程度の二種類以上の金属からなる金属ナノ粒子が形成される。金属ナノ粒子の生成の確認及びサイズの測定は、走査型電子顕微鏡(TEM)を用いて行うことができる。 In this manner, metal nanoparticles composed of two or more kinds of metals having an average particle diameter of about 1 to 100 nm, particularly about 4 to 10 nm are formed in the medium. Confirmation of generation of metal nanoparticles and measurement of size can be performed using a scanning electron microscope (TEM).
本発明では光励起されるのはラジカル前駆体であり、媒体の損傷を回避するためには、媒体の吸収光波長がラジカル前駆体の吸収光波長を外れていることが必要である。例えば、ラジカル前駆体(例えば、ベンゾフェノン等)を355nmレーザーで励起する場合、355 nmに吸収を持たない媒体が選択される。355nmに吸収を持たない媒体は比較的多いことから、広範な媒体を選択することができる。このようなラジカルの前駆体をドーパントとして用いる。 In the present invention, a radical precursor is photoexcited. In order to avoid damage to the medium, it is necessary that the absorption light wavelength of the medium is out of the absorption light wavelength of the radical precursor. For example, when a radical precursor (for example, benzophenone) is excited with a 355 nm laser, a medium that does not absorb at 355 nm is selected. Since there are relatively many media that do not absorb at 355 nm, a wide range of media can be selected. Such a radical precursor is used as a dopant.
媒体としては、前記したものが例示されるが、ラジカルの前駆体を取り込むことができ、その中で励起したラジカルの前駆体が反応することができる、ありとあらゆるポリマーマトリクス、多孔質材料、固体、溶液、ソフトマテリアルなどの使用が可能である。 Examples of the medium include those described above, and can include radical precursors in which the excited radical precursors can react, and any and all polymer matrices, porous materials, solids, solutions It is possible to use soft materials.
例えば、固体媒体の形状がフィルム、シート等の平面状の場合、ラジカル前駆体及び金属イオン又は金属錯体を含んだ固体媒体に、励起光を照射することにより、金属ナノ粒子を形成することができる。 For example, when the solid medium has a planar shape such as a film or sheet, metal nanoparticles can be formed by irradiating a solid medium containing a radical precursor and a metal ion or metal complex with excitation light. .
さらに、ラジカル前駆体及び金属イオン又は金属錯体を含んだ固体媒体に、所定のパターンを有するマスク(フォトマスク)をかぶせて励起光を照射すれば、該固体媒体上の光が照射された部分だけに該固体媒体に金属ナノ粒子からなる回路パターンを形成することもできる。つまり、この方法では、細幅は、励起光の照射幅に依存し任意に制御することができるのであり、光の回折限界(波長の約半分)程度の幅の極微細線でも自由に配線することができる。金属ナノ粒子の線幅は光の回折限界、例えば、266 nmの光源を用いた場合は133nm程度の線幅まで任意に制御できる。なお、励起光の照射幅は、レンズ等を用いて絞ることにより任意に選択できる。線幅は、走査型電子顕微鏡(TEM)、光学顕微鏡等を用いて確認できる。金属ナノ粒子が形成された部位は電気伝導性を有しているため、広範な用途に利用が可能である。 Furthermore, if a solid medium containing a radical precursor and a metal ion or metal complex is covered with a mask (photomask) having a predetermined pattern and irradiated with excitation light, only the portion irradiated with light on the solid medium is irradiated. In addition, a circuit pattern made of metal nanoparticles can be formed on the solid medium. In other words, in this method, the narrow width can be arbitrarily controlled depending on the irradiation width of the excitation light, and even a very fine line with a width of about the diffraction limit of light (about half the wavelength) can be freely wired. Can do. The line width of the metal nanoparticles can be arbitrarily controlled up to the diffraction limit of light, for example, a line width of about 133 nm when a light source of 266 nm is used. Note that the irradiation width of the excitation light can be arbitrarily selected by using a lens or the like. The line width can be confirmed using a scanning electron microscope (TEM), an optical microscope or the like. Since the site | part in which the metal nanoparticle was formed has electrical conductivity, it can be utilized for a wide range of uses.
さらに、本発明の二種類以上の金属からなる金属ナノ粒子の形成方法によれば、媒体(特に固体媒体)中において二種以上の金属からなる金属ナノ粒子(特に二種の金属からなるバイメタルナノ粒子)の細線を形成した場合、その細線が経時的に安定なものとなる点に特徴がある(例えば、試験例1、図3を参照)。即ち、励起光照射により形成される二種以上の金属からなる金属ナノ粒子の細線は、媒体中での拡散が抑制され、形成された直後の細線の線幅が長期間維持されるのである。 Furthermore, according to the method for forming metal nanoparticles composed of two or more kinds of metals of the present invention, metal nanoparticles composed of two or more kinds of metals (particularly, bimetallic nanoparticles composed of two kinds of metals) in a medium (particularly a solid medium) (Fine particles) is characterized in that the fine lines become stable over time (for example, see Test Example 1 and FIG. 3). That is, the fine lines of metal nanoparticles composed of two or more kinds of metals formed by excitation light irradiation are prevented from diffusing in the medium, and the line width of the fine lines immediately after the formation is maintained for a long time.
これについては、理由は明らかではないが、二種類以上の金属を還元することにより作成された二種類以上の金属からなる金属ナノ粒子(特にバイメタルナノ粒子)では、その周囲に、共存する金属イオンから形成される二次生成物からなる層が形成されることにより拡散が妨げられるためであると考えられる。例えば、図3の左の光学顕微鏡写真において、文字「6」の線の輪郭の外部にさらに別の層が形成されている。 For this reason, the reason is not clear, but in the case of metal nanoparticles (especially bimetallic nanoparticles) made of two or more types of metals created by reducing two or more types of metals, there are metal ions that coexist around them. This is considered to be because diffusion is hindered by the formation of a layer made of a secondary product formed from the above. For example, in the optical micrograph on the left of FIG. 3, another layer is formed outside the outline of the line of the character “6”.
これに対し、同様にして形成される一種の金属からなる金属ナノ粒子の細線は、上記の層が形成されず、時間の経過と共に媒体中で金属ナノ粒子が拡散し易くなるために、にじみや線太りが生じてしまう。 On the other hand, a thin line of metal nanoparticles made of a kind of metal formed in the same manner does not form the above layer, and the metal nanoparticles easily diffuse in the medium over time. Line weighting will occur.
従って、本発明の方法を用いれば、経時的に安定な細線を形成することができるため、例えば、この方法をレーザープリンターへと応用することでレーザープリンターを用いて、極微細線でできた金属ナノ粒子の回路を基盤にプリントすることも可能である。これは、非常に薄いコンピュータや、電子ペーパーの作成に応用できる。 Therefore, if the method of the present invention is used, a stable fine line can be formed over time. For example, by applying this method to a laser printer, a metal nanofiber made of ultrafine lines can be obtained using a laser printer. It is also possible to print on the basis of a circuit of particles. This can be applied to the creation of very thin computers and electronic paper.
本発明の方法において、二種類以上の金属からなる金属ナノ粒子が形成されているか否かは、次のようにして確認することができる。二種類以上の金属からなる金属ナノ粒子が形成されることによって特徴的な表面プラズモン吸収が確認される。表面プラズモン吸収は、二種類以上の金属からなる金属ナノ粒子特有のものか、もしくは殻を構成する金属のものであると考えられる。これにより、ナノ粒子が生成したことを確認することができる。 In the method of the present invention, whether or not metal nanoparticles composed of two or more kinds of metals are formed can be confirmed as follows. Characteristic surface plasmon absorption is confirmed by the formation of metal nanoparticles composed of two or more metals. Surface plasmon absorption is considered to be specific to metal nanoparticles composed of two or more kinds of metals or to the metal constituting the shell. Thereby, it can confirm that the nanoparticle produced | generated.
また、粉末X線回折によって、金属ナノ粒子が生じているか、生じた金属ナノ粒子が結晶もしくは非晶質からなるものであるかどうかを調べることができる。 Moreover, it can be examined by powder X-ray diffraction whether metal nanoparticles are generated or whether the generated metal nanoparticles are crystalline or amorphous.
本発明は、ラジカル前駆体及び二種類以上の金属イオン又は金属錯体を含んだ媒体に、励起光を照射して、媒体中に二種類以上の金属からなるナノ粒子を形成する方法である。つまり、所定のラジカル前駆体を含む媒体中で、励起光を用いてラジカル生成させて、金属イオン又は金属錯体を同時、もしくは段階的に還元することにより、二種類以上の金属からなる金属ナノ粒子を生成させることができる。本発明の方法によって様々な形状、金属の比率を持つナノ粒子を作成することができる。 The present invention is a method of irradiating a medium containing a radical precursor and two or more kinds of metal ions or metal complexes with excitation light to form nanoparticles composed of two or more kinds of metals in the medium. That is, a metal nanoparticle composed of two or more kinds of metals by radical generation using excitation light in a medium containing a predetermined radical precursor, and simultaneously or stepwise reducing metal ions or metal complexes. Can be generated. Nanoparticles having various shapes and metal ratios can be prepared by the method of the present invention.
本発明の方法では、二種類以上の金属からなる金属ナノ粒子からなる細線を容易に形成することができる。光の回折限界(波長の約半分)程度の幅のナノ粒子でできた細線を、自由に配線することができる。例えば、レーザープリンターを用いて極微細線でできた回路を基盤にプリントすることが可能である。 In the method of the present invention, a thin wire composed of metal nanoparticles composed of two or more kinds of metals can be easily formed. Fine wires made of nanoparticles with a width of about the diffraction limit of light (about half the wavelength) can be freely wired. For example, it is possible to print on the basis of a circuit made of ultrafine lines using a laser printer.
以下に、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples, but the present invention is not limited to these examples.
実施例1
以下のようにして、ポリビニルアルコール(PVA)媒体中に、金/銅バイメタルナノ粒子を高効率に作成した
水素引き抜き能力があり、水素引き抜きの結果生じるラジカルが強い還元力を持つベンゾフェノンをドーパントとして用いた。ベンゾフェノン、HAuCl4及びCu(OOCCH3)2を含むPVAフィルムを製膜した。製膜のための溶媒としては、ベンゾフェノン、HAuCl4及びPVAをよく溶解する蟻酸を用いた。ベンゾフェノン(5〜15mM)、HAuCl4(1mM)、Cu(OOCCH3)2 (1~5mM)及びPVA(5wt%)を含む蟻酸溶液をキャスティング法によって石英プレート上に製膜した。生成したPVAフィルムはCu2+とPVAの錯体の吸収に由来する薄い青色を示した。
Example 1
In the following way, gold / copper bimetallic nanoparticles are produced with high efficiency in polyvinyl alcohol (PVA) medium. Hydrogen extraction ability is available, and benzophenone, which has a strong reducing power as a result of hydrogen extraction, is used as a dopant. It was. A PVA film containing benzophenone, HAuCl 4 and Cu (OOCCH 3 ) 2 was formed. As a solvent for film formation, formic acid which dissolves benzophenone, HAuCl 4 and PVA well was used. A formic acid solution containing benzophenone (5 to 15 mM), HAuCl 4 (1 mM), Cu (OOCCH 3 ) 2 (1 to 5 mM) and PVA (5 wt%) was formed on a quartz plate by a casting method. The produced PVA film showed a light blue color derived from absorption of Cu 2+ and PVA complex.
このPVAフィルムに355nmレーザーを照射して、ベンゾフェノンを励起したところ、ベンゾフェノンの三重項励起状態はPVAから水素を引き抜き、ベンゾフェノンケチルラジカルを生成させた。ラジカルからHAuCl4への電子移動によって金ナノ粒子が生成し、この金ナノ粒子の表面で銅イオンが還元されることによって金/銅バイメタルナノ粒子が形成された(図2を参照)。 When this PVA film was irradiated with a 355 nm laser to excite benzophenone, the triplet excited state of benzophenone extracted hydrogen from PVA to generate a benzophenone ketyl radical. Gold nanoparticles were generated by electron transfer from radicals to HAuCl 4 and gold / copper bimetallic nanoparticles were formed by reducing copper ions on the surface of the gold nanoparticles (see FIG. 2).
形成された金/銅バイメタルナノ粒子のUV-Vis吸収スペクトルを測定し、特有の表面プラズモン吸収を観測した。また、走査型電子顕微鏡(TEM)によって、直接的に金/銅バイメタルナノ粒子の生成を確認した。TEM観察により、生成したナノ粒子の平均サイズ(平均粒径)は2nm程度であった。 UV-Vis absorption spectra of the formed gold / copper bimetallic nanoparticles were measured, and characteristic surface plasmon absorption was observed. In addition, the formation of gold / copper bimetallic nanoparticles was directly confirmed by a scanning electron microscope (TEM). According to TEM observation, the average size (average particle diameter) of the produced nanoparticles was about 2 nm.
比較例1
実施例1においてPVAフィルムにHAuCl4をドープしないこと以外は、実施例1と同様にして金ナノ粒子を作成した。
Comparative Example 1
In Example 1, gold nanoparticles were prepared in the same manner as in Example 1 except that the PVA film was not doped with HAuCl 4 .
しかしながら、このPVAフィルムおいては、ケチルラジカルの生成は確認されたが、銅ナノ粒子の形成は確認されなかった。 However, in this PVA film, formation of ketyl radicals was confirmed, but formation of copper nanoparticles was not confirmed.
これにより、実施例1では、まずラジカルに還元されやすい金イオンから金ナノ粒子の核が生じ、その表面に存在することによって還元電位が上昇した銅イオンが還元されることによって、金/銅バイメタルナノ粒子が生成することが分かった。 Thereby, in Example 1, the nucleus of the gold nanoparticle is first generated from the gold ion that is easily reduced to a radical, and the copper ion whose reduction potential is increased by being present on the surface thereof is reduced, whereby the gold / copper bimetal. It was found that nanoparticles were formed.
実施例2
実施例1においてレーザーに代えてXe-ランプ、水銀灯などのCW-光源を励起光として用いること以外は、実施例1と同様にしてPVA媒体中に金/銅バイメタルナノ粒子を作成した。
Example 2
In Example 1, gold / copper bimetallic nanoparticles were prepared in a PVA medium in the same manner as in Example 1 except that a CW-light source such as an Xe-lamp or a mercury lamp was used as the excitation light instead of the laser.
その結果、CW-光源を用いた場合も同様に、金/銅バイメタルナノ粒子が生成していることを確認した。 As a result, it was confirmed that gold / copper bimetallic nanoparticles were generated in the same manner when the CW-light source was used.
実施例3
以下のようにして、媒体中に金/銅バイメタルナノ粒子からなる二次元の回路を作成した。
Example 3
A two-dimensional circuit composed of gold / copper bimetallic nanoparticles in the medium was prepared as follows.
実施例1に記載の方法を用いてHAuCl4、Cu(OOCCH3)2及びラジカル前駆体のドープされた各種のフィルムを作成した。光照射法は、波長355 nmのレーザー(又はCW光)を局所的に照射した。或いは、フォトマスクをフィルム上にかぶせ波長355 nmのレーザー(又はCW光)を全体的に照射した。 Using the method described in Example 1, various films doped with HAuCl 4 , Cu (OOCCH 3 ) 2 and radical precursors were prepared. In the light irradiation method, a laser (or CW light) having a wavelength of 355 nm was locally irradiated. Alternatively, a photomask was placed on the film and a laser beam with a wavelength of 355 nm (or CW light) was irradiated as a whole.
355 nmの光の照射によってラジカル前駆体が励起され、該ラジカルによるHAuCl4の還元がおこり、さらにはその核表面での段階的還元によって、フィルム中に金/銅バイメタルナノ粒子の細線が作成された。 Radiation precursors are excited by irradiation with light at 355 nm, and HAuCl 4 is reduced by the radicals. Further, stepwise reduction at the nucleus surface creates gold / copper bimetallic nanowires in the film. It was.
また、透過型電子顕微鏡(TEM)によって、直接的に金/銅バイメタルナノ粒子の生成を確認した。TEMもしくは光学顕微鏡観察により、金/銅バイメタルナノ粒子細線の幅を求めることができた。なお、フォトマスクを用いた場合の細線の幅は、フォトマスクに設けられた細線の幅が反映された。 In addition, the generation of gold / copper bimetallic nanoparticles was directly confirmed by a transmission electron microscope (TEM). The width of the gold / copper bimetallic nanoparticle fine wire could be determined by TEM or optical microscope observation. Note that the width of the thin line when the photomask is used reflects the width of the thin line provided in the photomask.
比較例2
実施例1に記載の方法を用いてHAuCl4及びラジカル前駆体のドープされた各種のフィルムを作成した。光照射法は、波長355 nmのレーザー(又はCW光)を局所的に照射した。或いは、フォトマスクをフィルム上にかぶせ波長355 nmのレーザー(又はCW光)を全体的に照射した。
Comparative Example 2
Various films doped with HAuCl 4 and radical precursors were prepared using the method described in Example 1. In the light irradiation method, a laser (or CW light) having a wavelength of 355 nm was locally irradiated. Alternatively, a photomask was placed on the film and a laser beam with a wavelength of 355 nm (or CW light) was irradiated as a whole.
355 nmの光の照射によってラジカル前駆体が励起され、該ラジカルによるHAuCl4の還元がおこって、フィルム中に金ナノ粒子の細線が作成された。 Radiation precursors were excited by irradiation with light of 355 nm, and the reduction of HAuCl 4 by the radicals produced gold nanoparticle fine lines in the film.
試験例1
上記実施例3及び比較例2における細線が形成されたフィルムを、25℃、大気中で1週間放置した。その後、両者の細線を、光学顕微鏡を用いて観察したところ、図3に示すように、実施例3の細線では金属ナノ粒子の拡散はほとんど起きず、細線形成直後の線幅が保持されていた。一方、比較例2の細線では金属ナノ粒子の拡散が生じ、細線形成直後の線幅よりも大きくなっていた。
Test example 1
The film on which the thin line in Example 3 and Comparative Example 2 was formed was left at 25 ° C. in the air for 1 week. Thereafter, when both fine lines were observed using an optical microscope, as shown in FIG. 3, in the fine line of Example 3, the diffusion of the metal nanoparticles hardly occurred and the line width immediately after the formation of the fine line was maintained. . On the other hand, in the thin wire of Comparative Example 2, the metal nanoparticles were diffused and were larger than the line width immediately after forming the thin wire.
従って、本発明の方法では、光の回折限界(波長の約半分)程度の幅のナノ粒子でできた細線を自由に配線することができ、しかもその細線は経時的に安定なものとなる。例えば、レーザープリンターを用いて、基盤に極微細線でできた回路をプリントすることが可能である。 Therefore, according to the method of the present invention, fine wires made of nanoparticles having a width of about the diffraction limit of light (about half the wavelength) can be freely wired, and the fine wires become stable over time. For example, it is possible to print a circuit made of ultrafine lines on a substrate using a laser printer.
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