JP2010047454A - Carbon material having regular unevenness pattern on its surface, and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、インプリント技術を用いて作製した、表面に微細で規則的な凹凸パターンを有する炭素材、およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a carbon material having a fine and regular concavo-convex pattern on a surface, produced using an imprint technique, and a method for producing the same.
ナノインプリント法は、サブミクロンからナノメータースケールの微細な凹凸パターンを基板表面に一括転写することが可能であることから、撥水・撥油性膜や反射防止膜、細胞培養シートなど様々な機能性デバイスを作製するための手法として期待されている。 The nanoimprint method can transfer sub-micron to nanometer-scale fine concavo-convex patterns onto the substrate surface at once, so various functional devices such as water and oil repellent films, antireflection films, and cell culture sheets It is expected as a technique for manufacturing.
この手法は、微細なパターンが形成されたモールドをポリマーやガラスからなる基板に押し付けることでパターンの転写を行うものであるが、一旦ナノパターンが形成されたモールドの作製を行えば、そのモールドは繰り返し利用することができるため、電子ビームリソグラフィーをはじめとする他の微細加工法に比べ、高スループットな処理が可能であるといった特徴がある。通常、インプリントに用いられるモールドは、各種リソグラフィー技術により作製されることから大面積のパターン形成は困難であるが、自己組織化的に形成される規則構造材料をモールドとして適用すれば、このような問題点を解決することもできる。アルミニウム材を酸性浴中で陽極酸化することで得られる陽極酸化ポーラスアルミナは、円柱状の細孔が規則配列したホールアレー構造を有する代表的な自己組織化規則構造材料であるが、ポーラスアルミナ、または、それを鋳型として作製したネガ型構造体をモールドとして使用することで、大面積のホールアレー構造やピラーアレー構造を形成することが可能である(非特許文献1)。ナノインプリント法による微細構造の形成と各種機能性デバイスへの応用に関しては、これまでにも様々な研究がなされてきているが、構造転写を行う材料に関しては、現在までのところ熱可塑性樹脂、光硬化性樹脂、低融点ガラス、ゾル−ゲル材料に限定されたものであった。 This method is to transfer a pattern by pressing a mold with a fine pattern against a substrate made of polymer or glass, but once the mold with a nano pattern is made, the mold Since it can be used repeatedly, it is characterized in that high throughput processing is possible as compared with other microfabrication methods such as electron beam lithography. Usually, since a mold used for imprinting is manufactured by various lithography techniques, it is difficult to form a pattern with a large area. However, if a regular structure material formed in a self-organized manner is applied as a mold, It can also solve various problems. Anodized porous alumina obtained by anodizing an aluminum material in an acidic bath is a typical self-organized ordered structure material having a hole array structure in which cylindrical pores are regularly arranged. Alternatively, it is possible to form a large-area hole array structure or a pillar array structure by using a negative structure manufactured as a mold as a mold (Non-patent Document 1). Various researches have been conducted on the formation of microstructures by nanoimprinting and its application to various functional devices, but to date materials for structural transfer are thermoplastic resins and photocuring. It was limited to the functional resin, the low melting glass, and the sol-gel material.
ナノスケールで構造が制御された炭素材料は、触媒、機能性電極、電子材料など様々な応用が期待できることから、その作製手法の確立が重要な課題となっている。これまでにも、鋳型プロセスやドライエッチングをはじめいくつかの方法により炭素材料の構造制御が試みられている。鋳型プロセスによれば、鋳型の空隙に炭素前駆体となる有機物を導入し、これに不活性ガス中で熱処理を施し炭化したのち、鋳型を溶解除去することで、インバースオパール構造等に構造制御された炭素材料が得られることが報告されている(特許文献1)。しかしながら、これらの手法では構造制御された炭素材料を得るために鋳型を溶解除去する必要があるため、スループットが低いといった問題点があった。 Since carbon materials whose structures are controlled at the nanoscale can be expected to be used in various applications such as catalysts, functional electrodes, and electronic materials, the establishment of their production methods is an important issue. Until now, structural control of carbon materials has been attempted by several methods including a mold process and dry etching. According to the mold process, an organic substance that becomes a carbon precursor is introduced into the voids of the mold, carbonized by heat treatment in an inert gas, and then the mold is dissolved and removed, so that the structure is controlled to an inverse opal structure and the like. It has been reported that a carbon material can be obtained (Patent Document 1). However, these methods have a problem that throughput is low because it is necessary to dissolve and remove the template in order to obtain a carbon material whose structure is controlled.
炭素材料ナノ構造体の作製に、インプリント法を適用することが可能となれば、従来法の問題点を解決し、高スループットな手法として有効であると期待できるが、これまでに、ナノスケールで構造が制御された炭素材料の作製にインプリント法を適用した例は報告されていない。
本発明は、幅広い分野への応用展開が期待される表面に微細凹凸パターンが形成された炭素材をナノインプリント法によって効率よく作製する技術を提供するものである。とくに、アルミニウム材を陽極酸化することによって得られる陽極酸化ポーラスアルミナまたはそれを鋳型として作製したネガ型をインプリント用モールドとして用いることで、微細凹凸パターンを表面に有する炭素材を容易に得る手段について鋭意検討を行った結果完成されたものである。その目的は、サイズの均一な細孔または突起が規則的に配列した微細凹凸パターンが表面に形成された炭素材、およびその製造方法を提供することにある。 The present invention provides a technique for efficiently producing a carbon material having a fine concavo-convex pattern formed on a surface expected to be applied to a wide range of fields by a nanoimprint method. In particular, a means for easily obtaining a carbon material having a fine concavo-convex pattern on its surface by using an anodized porous alumina obtained by anodizing an aluminum material or a negative mold prepared using the same as a mold. It was completed as a result of intensive studies. An object of the present invention is to provide a carbon material having a fine concavo-convex pattern in which pores or protrusions of uniform size are regularly arranged and formed on the surface, and a method for producing the same.
上記の目的を解決するために、本発明は次のような構成を有する。すなわち、本発明に係る表面に規則的な凹凸パターンを有する炭素材は、インプリントプロセスにより表面に規則的な微細凹凸パターンが形成された有機系材料が熱処理により炭素化されていることを特徴とするものからなる。つまり、インプリントプロセスにより、炭素前駆体として機能する有機系材料の表面に、ラインアンドスペースパターンやホールアレーパターン、ピラーアレーパターンのように凸部と凹部から構成されるサブミクロンからナノメーターサイズの微細で規則的な凹凸パターンの形成を行った後、加熱による炭素化処理によって、表面に規則的な凹凸パターンを有する炭素材を得るものである。 In order to solve the above object, the present invention has the following configuration. That is, the carbon material having a regular uneven pattern on the surface according to the present invention is characterized in that an organic material having a regular fine uneven pattern formed on the surface by an imprint process is carbonized by heat treatment. It consists of what to do. In other words, the surface of an organic material that functions as a carbon precursor by the imprint process has a sub-micron to nanometer size composed of convex and concave portions such as line and space patterns, hole array patterns, and pillar array patterns. After forming a fine and regular concavo-convex pattern, a carbon material having a regular concavo-convex pattern on the surface is obtained by carbonization treatment by heating.
この本発明に係る表面に規則的な凹凸パターンを有する炭素材においては、表面に形成された凹凸パターンは、ホールアレー構造またはピラーアレー構造からなり、その細孔径(ホールアレー構造)または突起径(ピラーアレー構造)が、10nmから1μmの範囲内にある構造体を得ることができる。 In the carbon material having a regular concavo-convex pattern on the surface according to the present invention, the concavo-convex pattern formed on the surface has a hole array structure or a pillar array structure, and its pore diameter (hole array structure) or protrusion diameter (pillar array). A structure having a structure in the range of 10 nm to 1 μm can be obtained.
また、上記ホールアレー構造の細孔深さと細孔径の比(細孔深さ/細孔径)で表わされるアスペクト比が0.5以上のホールアレーパターンを有する炭素材を得ることができ、さらには、アスペクト比4以上の構造体を得ることも可能である。また、上記ピラーアレー構造のピラー高さをピラーの直径で割った値として示されるアスペクト比(ピラー高さ/ピラー径)の値が0.5以上の炭素材を得ることができ、さらには、高アスペクト比のモールドを用いれば、アスペクト比10以上の構造体を得ることも可能である。 Further, it is possible to obtain a carbon material having a hole array pattern in which the aspect ratio represented by the ratio of the pore depth and the pore diameter of the hole array structure (pore depth / pore diameter) is 0.5 or more, It is also possible to obtain a structure having an aspect ratio of 4 or more. In addition, a carbon material having an aspect ratio (pillar height / pillar diameter) value of 0.5 or more shown as a value obtained by dividing the pillar height of the pillar array structure by the pillar diameter can be obtained. If an aspect ratio mold is used, a structure having an aspect ratio of 10 or more can be obtained.
また、上記炭素化される有機系材料が、該有機系材料とは別の材料からなる基板の上に設けられたものからなる構成とすることが可能である。すなわち、本発明では、インプリント法にもとづき炭素前駆体表面に微細パターンを形成したのち炭素化することで、微細な凹凸パターンを有する炭素材を得るものであることから、基板上に設けた炭素前駆体薄膜に微細パターンを形成し、炭素化を行うことが可能である。炭素化処理では、通常800℃以上の温度で加温することから、基板には、例えば、石英やシリコン、サファイヤ、炭素材料など800℃以上の耐熱性を有する材料を用いることができる。 Further, the organic material to be carbonized may be configured to be provided on a substrate made of a material different from the organic material. That is, in the present invention, a carbon material having a fine concavo-convex pattern is obtained by carbonizing after forming a fine pattern on the surface of the carbon precursor based on the imprint method. It is possible to form a fine pattern on the precursor thin film and perform carbonization. In the carbonization treatment, since heating is usually performed at a temperature of 800 ° C. or higher, a material having a heat resistance of 800 ° C. or higher, such as quartz, silicon, sapphire, or a carbon material, can be used for the substrate.
本発明に係る表面に規則的な凹凸パターンを有する炭素材の製造方法は、有機系材料の表面にインプリントプロセスにより規則的な微細凹凸パターンを形成し、該有機系材料に熱処理を加えて有機系材料を炭素化することを特徴とする方法からなる。前述の如く、インプリントプロセスにより、炭素前駆体として機能する有機系材料の表面に、ラインアンドスペースパターンやホールアレーパターン、ピラーアレーパターンのように凸部と凹部から構成されるサブミクロンからナノメーターサイズの微細で規則的な凹凸パターンの形成を行った後、加熱による炭素化処理によって、表面に規則的な凹凸パターンを有する炭素材を得る方法である。 The method for producing a carbon material having a regular concavo-convex pattern on the surface according to the present invention includes forming a regular fine concavo-convex pattern on the surface of an organic material by an imprint process, and subjecting the organic material to a heat treatment. It consists of a method characterized by carbonizing the system material. As described above, the surface of an organic material that functions as a carbon precursor by the imprint process has a sub-micron to nanometer structure composed of convex and concave portions such as line and space patterns, hole array patterns, and pillar array patterns. This is a method of obtaining a carbon material having a regular concavo-convex pattern on the surface by forming a fine concavo-convex pattern with a fine size and then carbonizing by heating.
この本発明に係る表面に規則的な凹凸パターンを有する炭素材の製造方法においても、表面に形成される凹凸パターンが、ホールアレー構造またはピラーアレー構造からなり、その細孔径または突起径が、10nmから1μmの範囲内にある構造とすることができる。 Also in the method for producing a carbon material having a regular concavo-convex pattern on the surface according to the present invention, the concavo-convex pattern formed on the surface has a hole array structure or a pillar array structure, and the pore diameter or protrusion diameter is from 10 nm. The structure may be in the range of 1 μm.
また、上記ホールアレー構造のアスペクト比(細孔深さ/細孔径)の値が0.5以上である構造とすることができ、ホールアレー構造のアスペクト比(細孔深さ/細孔径)の値が4以上である構造とすることもできる。また、上記ピラーアレー構造のアスペクト比(ピラー高さ/ピラー径)の値が0.5以上である構造とすることができ、ピラーアレー構造のアスペクト比(ピラー高さ/ピラー径)の値が10以上である構造とすることもできる。 The aspect ratio (pore depth / pore diameter) of the hole array structure may be 0.5 or more, and the aspect ratio (pore depth / pore diameter) of the hole array structure A structure having a value of 4 or more can also be used. The pillar array structure may have a structure with an aspect ratio (pillar height / pillar diameter) of 0.5 or more, and the pillar array structure has an aspect ratio (pillar height / pillar diameter) of 10 or more. It can also be set as the structure which is.
また、上記有機系材料とは別の材料からなる基板の上に上記有機系材料を設け、該有機系材料を炭素化する方法を採用することができ、この場合には、基板に、800℃以上の耐熱温度を有する材料を用いることが好ましい。 Further, it is possible to employ a method in which the organic material is provided on a substrate made of a material different from the organic material, and the organic material is carbonized. It is preferable to use a material having the above heat resistance temperature.
上記本発明に係る表面に規則的な凹凸パターンを有する炭素材の製造方法においては、上記有機系材料として炭素前駆体として機能する高分子の単量体または半重合体、さらには、架橋剤を加えた高分子を用い、インプリント用モールドを上記高分子材料の層に押し付けながら該高分子材料層に光照射や加温処理を加えることで固化させ、しかる後に固化された高分子材料層からインプリント用モールドを剥離することにより高分子材料層の表面に規則的な微細凹凸パターンを形成し、表面に規則的な凹凸パターンを有する炭素材を得ることができる。 In the method for producing a carbon material having a regular uneven pattern on the surface according to the present invention, a polymer monomer or semipolymer that functions as a carbon precursor as the organic material, and further a crosslinking agent. Using the added polymer, the imprint mold is pressed against the polymer material layer and solidified by applying light irradiation or heating treatment to the polymer material layer, and then from the polymer material layer solidified. By peeling off the imprint mold, a regular fine uneven pattern can be formed on the surface of the polymer material layer, and a carbon material having a regular uneven pattern on the surface can be obtained.
また、上記有機系材料として炭素前駆体として機能する高分子材料、例えば重合度の低い架橋性樹脂を用い、該高分子材料に、該高分子材料を軟化点以上の温度に加温して軟化させ、該高分子材料にインプリント用モールドを押しつけ該モールドのパターン転写を行った後、該高分子材料に熱処理を加え該高分子材料を炭素化することにより、表面に規則的な凹凸パターンを有する炭素材を得ることができる。 In addition, a polymer material that functions as a carbon precursor as the organic material, such as a crosslinkable resin having a low degree of polymerization, is softened by heating the polymer material to a temperature equal to or higher than the softening point. After imprinting the imprint mold against the polymer material and transferring the pattern of the mold, heat treatment is applied to the polymer material to carbonize the polymer material, thereby forming a regular uneven pattern on the surface. The carbon material which has can be obtained.
炭素の前駆体として機能する高分子には、光硬化性架橋ポリマー、熱硬化性樹脂などを用いることができるが、特に、フラン樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、架橋性のアクリル樹脂のいずれか、あるいはそれらの混合物を用いることが望ましい。 As the polymer that functions as a carbon precursor, a photocurable crosslinked polymer, a thermosetting resin, or the like can be used.In particular, any of a furan resin, a phenol resin, an epoxy resin, and a crosslinkable acrylic resin, Alternatively, it is desirable to use a mixture thereof.
インプリント用モールドには、アルミニウム材の陽極酸化により形成される表面に規則的なホールアレー構造を有する陽極酸化ポーラスアルミナ、またはそれを鋳型として作製したネガ型構造のピラーアレー構造を有するモールドを用いることができる。 As the mold for imprinting, use anodized porous alumina having a regular hole array structure on the surface formed by anodization of an aluminum material, or a mold having a negative type pillar array structure made using it as a mold. Can do.
また、硫酸を電解液として用い、化成電圧10V〜30Vにおいて作製した陽極酸化ポーラスアルミナ、またはそれを鋳型として作製したネガ型を、あるいは、シュウ酸を電解液として用い、化成電圧30V〜130Vにおいて作製した陽極酸化ポーラスアルミナ、またはそれを鋳型として作製したネガ型を、あるいは、リン酸を電解液として用い、化成電圧180V〜200Vにおいて作製した陽極酸化ポーラスアルミナ、またはそれを鋳型として作製したネガ型を、インプリント用モールドとして用いることで、より高い規則性を有するホールアレー構造あるいはピラーアレー構造を有するインプリント用モールドを得ることができる。 In addition, anodized porous alumina prepared using sulfuric acid as an electrolytic solution at a conversion voltage of 10 V to 30 V, or a negative type prepared using it as a mold, or manufactured using an oxalic acid as an electrolytic solution at a conversion voltage of 30 V to 130 V Anodized porous alumina, or a negative type produced using the same as a mold, or anodized porous alumina produced using phosphoric acid as an electrolytic solution at a conversion voltage of 180 to 200 V, or a negative type produced using the same as a mold By using as an imprint mold, it is possible to obtain an imprint mold having a hole array structure or a pillar array structure having higher regularity.
さらに、定電圧で、長時間陽極酸化を施したのち、一旦、酸化皮膜を除去し、再び同一条件で陽極酸化を施すことで作製した陽極酸化ポーラスアルミナ、またはそれを鋳型として作製したネガ型をインプリント用モールドとして用いることができ、このような手法を採用すれば、高い孔配列規則性を有するインプリント用モールドを得ることができる。 Furthermore, after anodizing at a constant voltage for a long time, the oxide film was once removed, and anodized porous alumina prepared by anodizing again under the same conditions, or a negative type prepared using it as a mold It can be used as an imprint mold, and by adopting such a method, an imprint mold having high hole arrangement regularity can be obtained.
また、陽極酸化に先立ち、アルミニウムの表面に微細な窪みを形成し、これを陽極酸化時の細孔発生の開始点として作製した陽極酸化ポーラスアルミナ、またはそれを鋳型として作製したネガ型をインプリント用モールドとして用いることもでき、このような手法を採用することにより、細孔配列を制御した陽極酸化ポーラスアルミナの作製が可能であることから、これをモールドとして用いることで、凹凸パターンの配列を制御した炭素材の形成も可能である。 Prior to anodic oxidation, a fine depression was formed on the surface of the aluminum, and anodized porous alumina prepared using this as a starting point for pore generation during anodic oxidation, or a negative mold made using it as a mold, was imprinted. By using such a method, it is possible to produce anodized porous alumina with controlled pore arrangement. A controlled carbon material can also be formed.
また、陽極酸化と孔径拡大処理を繰り返し行うことにより孔径を連続的に変化させた細孔を有する陽極酸化ポーラスアルミナ、またはそれを鋳型として作製したネガ型をインプリント用モールドとして用いることもできる。このように、陽極酸化とウェットエッチングによる孔径拡大処理を繰り返す方法で作製される、テーパー形状の細孔を有するポーラスアルミナ、または、それを鋳型として作製したネガ型モールドをインプリントに用いることにより、炭素前駆体材料からのモールドの離型性が向上し、その結果、カーボンナノ構造表面を精度よく、高スループットで作製することが可能になる。 Also, anodized porous alumina having pores whose pore diameters are continuously changed by repeatedly performing anodization and pore diameter enlargement processing, or a negative mold made using the same as a mold can be used as an imprint mold. In this way, by using for the imprint, porous alumina having tapered pores produced by a method of repeating the pore diameter enlargement process by anodic oxidation and wet etching, or a negative mold produced using it as a mold, The mold releasability from the carbon precursor material is improved, and as a result, the carbon nanostructure surface can be produced with high accuracy and high throughput.
また、ロール状のアルミニウムの表面に形成した陽極酸化ポーラスアルミナ、またはそれを鋳型として作製した金属ピラーが配列したロール状モールドを、連続インプリント用モールドとして用いることもできる。このようなロール状インプリント用モールドを用いることにより、炭素前駆体材料に連続的にインプリント処理を施すことができ、それによってカーボン凹凸パターンを作製する際のスループットを一層向上させることが可能になる。 Further, a roll-shaped mold in which anodized porous alumina formed on the surface of roll-shaped aluminum or metal pillars prepared using the same is arranged as a mold can also be used as a continuous imprint mold. By using such a roll-shaped imprint mold, the carbon precursor material can be continuously imprinted, thereby further improving the throughput when producing the carbon uneven pattern. Become.
このように、本発明に係る表面に規則的な凹凸パターンを有する炭素材およびその製造方法によれば、サイズの均一な細孔または突起が規則的に配列した微細凹凸パターンが表面に形成された炭素材を効率よく容易に得ることができる。この表面に規則的な凹凸パターンを有する炭素材は、幅広い分野への応用展開が期待できる。 Thus, according to the carbon material having a regular concavo-convex pattern on the surface and the manufacturing method thereof according to the present invention, a fine concavo-convex pattern in which pores or protrusions of uniform size are regularly arranged is formed on the surface. A carbon material can be obtained efficiently and easily. The carbon material having a regular uneven pattern on its surface can be expected to be applied to a wide range of fields.
以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
図1は、アルミニウム材1の表面にモールドとして機能する陽極酸化ポーラスアルミナ2の層を形成し、この細孔3が規則的に配列されたホールアレー構造を有する陽極酸化ポーラスアルミナ2を、炭素前駆体として機能する高分子材4のインプリントに適用した場合を模式的に示したものである。陽極酸化ポーラスアルミナ2の表面の微細で規則的な凹凸構造を高分子材4の表面に転写し、その後、試料を不活性ガス雰囲気下で加熱し炭化処理を施すことで、表面に規則的で微細なピラーアレー構造の凹凸パターンを有する炭素材5を作製することができる。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 shows an anodized
図2は、陽極酸化ポーラスアルミナ2を鋳型とし、その細孔3内へ物質6の充填を行った後、鋳型を溶解除去することで得られたネガ型モールド7により、高分子材8のインプリントを行い、その後、加熱による炭化処理を施すことで微細なホールアレー構造の凹凸パターンを有する炭素材9の作製を行う場合を模式的に示したものである。鋳型プロセスで作製したモールド7を用いることで、表面にホールアレーパターンが形成された炭素材9の作製が可能であることがわかった。
FIG. 2 shows an example in which a polymer material 8 is inserted by a
図3は、耐熱性を有する基板11上に、高分子材を炭素材前駆体12として設け、この高分子材からなる炭素材前駆体12に、図1に示したような陽極酸化ポーラスアルミナ2の層を有するモールド13を用いてインプリントを行い、炭素材前駆体12の表面に微細な凹凸パターンを形成したのちモールド13を剥離し、炭素材前駆体12に炭化処理を施すことで、基板11上に所望の微細表面構造を有する炭素材14を形成したものである。高分子材の炭素化には、一般に、800℃以上、好ましくは1000℃以上の高温条件で熱処理を行う必要がある。したがって、基板11には、石英などの耐熱性に優れた材料を用いることが望ましい。
In FIG. 3, a polymer material is provided as a
以下、実施例により更に本発明を詳細に説明するが、本発明はかかる実施例によって限定されるものではない。
実施例1〔フラン樹脂を用いたカーボンピラーアレーの形成〕
純度99.99%のアルミニウム板表面に、500 nm周期で突起が規則的に配列した構造を持つSiC製モールドを押し付け、表面に微細な凹凸パターンを形成した。テクスチャリング処理を施したアルミニウム板を、0.1 Mの濃度に調整したリン酸水溶液中で、浴温0℃において直流200Vの条件下で2分間陽極酸化を行った。その後、10重量%リン酸水溶液に90分間浸漬し、孔径拡大処理を施した。作製した陽極酸化ポーラスアルミナを、フルオロアルキルシラン溶液に浸漬し、表面の離型処理を行った。離型処理後のポーラスアルミナモールドを2wt%シュウ酸を添加したフルフリルアルコール溶液に浸漬し、80℃で24時間保持することで重合固化しフラン樹脂の形成を行った。重合固化後のフラン樹脂よりモールドを剥離し、フラン樹脂の表面に微細な突起パターンを得た。その後、真空加熱炉を用いて1000℃で5時間加熱処理を施すことで炭素化を行った。図4に炭化処理後の炭素材ピラーアレー21の電子顕微鏡による観察結果を示す。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited by this Example.
Example 1 [Formation of carbon pillar array using furan resin]
A SiC mold having a structure in which protrusions were regularly arranged with a period of 500 nm was pressed against the surface of an aluminum plate having a purity of 99.99% to form a fine uneven pattern on the surface. The textured aluminum plate was anodized for 2 minutes in a phosphoric acid aqueous solution adjusted to a concentration of 0.1 M at a bath temperature of 0 ° C. and a direct current of 200 V. Thereafter, the substrate was immersed in a 10% by weight phosphoric acid aqueous solution for 90 minutes, and subjected to pore diameter expansion treatment. The produced anodized porous alumina was immersed in a fluoroalkylsilane solution and subjected to a surface release treatment. The porous alumina mold after the mold release treatment was immersed in a furfuryl alcohol solution added with 2 wt% oxalic acid and kept at 80 ° C. for 24 hours to be polymerized and solidified to form a furan resin. The mold was peeled from the furan resin after polymerization and solidification, and a fine protrusion pattern was obtained on the surface of the furan resin. Then, carbonization was performed by heat-processing at 1000 degreeC for 5 hours using a vacuum heating furnace. FIG. 4 shows an observation result of the carbon
実施例2〔フラン樹脂を用いたホールアレーの形成〕
純度99.99%のアルミニウム板表面に、500 nm周期で突起が規則的に配列した構造を持つSiC製モールドを押し付け、表面に微細な凹凸パターンを形成した。テクスチャリング処理を施したアルミニウム板を、0.1 Mの濃度に調整したリン酸水溶液中で、浴温0℃において直流200Vの条件下で20分間陽極酸化を行った。その後、10重量%リン酸水溶液に30分間浸漬し、孔径拡大処理を施した。その後、試料の表面にイオンビームスパッタ装置を用いて、Ni電析の際の電極層として機能するPtを100nmスパッタした。電極層を付与した陽極酸化ポーラスアルミナの細孔内および細孔表面にNi電析を行った後、鋳型を溶解除去することでNiピラーが規則的に配列したネガ型モールドを得た。作製したモールドの表面を離型剤で処理したのち、2wt%のシュウ酸を溶解したフルフリルアルコールに浸漬し、80℃で24時間保持することで、重合固化を行った。得られたフラン樹脂よりメタルモールドを剥離し、真空加熱炉中で1000℃の条件下で5時間熱処理を行うことで炭素化を行った。図5に炭化処理後の炭素材ホールアレー31の電子顕微鏡による観察結果を示す。
Example 2 [Formation of Hall Array Using Furan Resin]
A SiC mold having a structure in which protrusions were regularly arranged with a period of 500 nm was pressed against the surface of an aluminum plate having a purity of 99.99% to form a fine uneven pattern on the surface. The textured aluminum plate was anodized in a phosphoric acid aqueous solution adjusted to a concentration of 0.1 M for 20 minutes at a bath temperature of 0 ° C. and a direct current of 200 V. Thereafter, it was immersed in a 10% by weight phosphoric acid aqueous solution for 30 minutes, and subjected to a pore size expansion treatment. Thereafter, Pt functioning as an electrode layer during Ni electrodeposition was sputtered to a thickness of 100 nm on the surface of the sample using an ion beam sputtering apparatus. After electrodeposition of Ni in the pores and the surface of the pores of the anodized porous alumina provided with the electrode layer, a negative mold in which Ni pillars were regularly arranged was obtained by dissolving and removing the template. After the surface of the produced mold was treated with a mold release agent, it was immersed in furfuryl alcohol in which 2 wt% oxalic acid was dissolved, and kept at 80 ° C. for 24 hours for polymerization and solidification. The metal mold was peeled from the obtained furan resin, and carbonized by performing a heat treatment at 1000 ° C. for 5 hours in a vacuum heating furnace. FIG. 5 shows an observation result of the carbon
実施例3〔フルフリルアルコールの半重合体への熱インプリントによる炭素ナノパターンの作製〕
純度99.99%のアルミニウム板表面に、500 nm周期で突起が規則的に配列した構造を持つSiC製モールドを押し付け、表面に微細な凹凸パターンを形成した。テクスチャリング処理を施したアルミニウム板を、0.1 Mの濃度に調整したリン酸酸水溶液中で、浴温0℃において直流200Vの条件下で10秒間陽極酸化を行った。その後、10重量%リン酸水溶液に25分間浸漬し、孔径拡大処理を施した。この操作を5回繰り返すことで、細孔周期500nm、細孔開口部400nm、底部1500nm、孔深さ800nmのテーパー状細孔を有するポーラスアルミナを得た。試料表面にイオンビームスパッタ装置により、Ptを50nmコートしたのち、Pt層を電極としてNiメッキを行った。アルミナ細孔内および、その表面にNiを電析したのち、鋳型を溶解除去することでNiモールドを得た。得られた試料の表面を、フッ素系の表面処理剤により表面修飾した。離型処理を施したモールドを、フラン樹脂の半重合体シートに、150℃の加温条件下で、2t/cm2の条件下で押し付け、熱インプリントを行いパターン形成を行った。表面に微細パターンを形成したフラン樹脂半重合体を80℃で10時間熱処理しフラン樹脂としたのち、真空加熱炉中で1000℃の条件下で5時間加熱処理を行い、炭化処理を施し、規則的なくぼみパターンが形成された炭素材を得た。
Example 3 [Production of carbon nanopattern by thermal imprinting on a semi-polymer of furfuryl alcohol]
A SiC mold having a structure in which protrusions were regularly arranged with a period of 500 nm was pressed against the surface of an aluminum plate having a purity of 99.99% to form a fine uneven pattern on the surface. The textured aluminum plate was anodized for 10 seconds in a phosphoric acid aqueous solution adjusted to a concentration of 0.1 M at a bath temperature of 0 ° C. and a direct current of 200 V. Thereafter, it was immersed in a 10% by weight phosphoric acid aqueous solution for 25 minutes and subjected to a pore size expansion treatment. By repeating this operation five times, porous alumina having tapered pores having a pore period of 500 nm, a pore opening portion of 400 nm, a bottom portion of 1500 nm, and a pore depth of 800 nm was obtained. The sample surface was coated with Pt by 50 nm by an ion beam sputtering apparatus, and then Ni plating was performed using the Pt layer as an electrode. After Ni was electrodeposited in the alumina pores and on the surface thereof, the mold was dissolved and removed to obtain a Ni mold. The surface of the obtained sample was surface-modified with a fluorine-based surface treatment agent. The mold subjected to the mold release treatment was pressed against a furan resin semi-polymer sheet under a heating condition of 150 ° C. under a condition of 2 t / cm 2 , and thermal imprinting was performed to form a pattern. A furan resin semi-polymer with a fine pattern formed on the surface is heat treated at 80 ° C. for 10 hours to form a furan resin, followed by heat treatment in a vacuum heating furnace at 1000 ° C. for 5 hours, followed by carbonization treatment. A carbon material in which a hollow pattern was formed was obtained.
実施例4〔光インプリントにより形成したポリマーナノ構造体の炭化処理によるカーボンピラーアレーの形成〕
実施例1と同様の手法により作製したポーラスアルミナモールドの表面を離型処理した。これをモールドとして、光硬化性樹脂に光インプリントを行い、石英基板表面にポリマーピラーアレーを形成した。得られたポリマーピラーアレーを真空加熱炉中で1000℃5時間加熱処理を施すことで炭素化処理を行った。図6に、形成された高アスペクト比の炭素材ナノ構造体41の電子顕微鏡による観察結果を示す。
Example 4 [Formation of carbon pillar array by carbonization of polymer nanostructure formed by photoimprint]
The surface of the porous alumina mold produced by the same method as in Example 1 was subjected to mold release treatment. Using this as a mold, photoimprinting was performed on a photocurable resin to form a polymer pillar array on the surface of the quartz substrate. The obtained polymer pillar array was subjected to carbonization treatment by heat treatment at 1000 ° C. for 5 hours in a vacuum heating furnace. In FIG. 6, the observation result by the electron microscope of the
本発明に係る炭素材は、微細で規則的な表面凹凸パターンが要求されるあらゆる用途に展開可能であり、電極材等として好適なものである。 The carbon material according to the present invention can be developed for any application that requires a fine and regular surface unevenness pattern, and is suitable as an electrode material or the like.
1 アルミニウム材
2 陽極酸化ポーラスアルミナ
3 細孔
4 高分子材
5 炭素材
6 充填物質
7 モールド
8 高分子材
9 炭素材
11 耐熱性基板
12 炭素材前駆体
13 モールド
14 炭素材
21 炭素材ピラーアレー
31 炭素材ホールアレー
41 炭素材ナノ構造体
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