特開2023-117549ナノシートを結晶軸方位に沿って切断する方法、および、切断されたナノシート
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023117549
(43)【公開日】2023-08-24
(54)【発明の名称】ナノシートを結晶軸方位に沿って切断する方法、および、切断されたナノシート
(51)【国際特許分類】
C01G 23/04 20060101AFI20230817BHJP
C01G 33/00 20060101ALI20230817BHJP
B82Y 30/00 20110101ALI20230817BHJP
B82Y 40/00 20110101ALI20230817BHJP
【ＦＩ】
C01G23/04 Z
C01G33/00 A
B82Y30/00
B82Y40/00
【審査請求】未請求
【請求項の数】15
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022020168
(22)【出願日】2022-02-14
(71)【出願人】
【識別番号】301023238
【氏名又は名称】国立研究開発法人物質・材料研究機構
(72)【発明者】
【氏名】坂井 伸行
(72)【発明者】
【氏名】佐々木 高義
【テーマコード（参考）】
4G047
4G048
【Ｆターム（参考）】
4G047CA02
4G047CB04
4G047CC02
4G047CD02
4G047CD08
4G048AA03
4G048AB01
4G048AC02
4G048AC04
4G048AD02
4G048AD08
4G048AE05
(57)【要約】
【課題】 ナノシートを結晶軸方位に沿って切断する方法、および、それによって得られるナノシートを提供すること。
【解決手段】 本発明のナノシートを結晶軸方位に沿って切断する方法は、ナノシートが有機溶媒に分散したナノシート分散液を調製することと、凹凸構造を有する基板を準備することと、基板上にナノシート分散液を用い、ナノシートからなるナノシート単層膜を形成することとを包含し、ナノシートおよび基板とが所定の関係を満たす。
【選択図】 図１
【解決手段】 本発明のナノシートを結晶軸方位に沿って切断する方法は、ナノシートが有機溶媒に分散したナノシート分散液を調製することと、凹凸構造を有する基板を準備することと、基板上にナノシート分散液を用い、ナノシートからなるナノシート単層膜を形成することとを包含し、ナノシートおよび基板とが所定の関係を満たす。
【選択図】 図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ナノシートを結晶軸方位に沿って切断する方法であって、
ナノシートが有機溶媒に分散したナノシート分散液を調製することと、
凹凸構造を有する基板を準備することと、
前記基板上に前記ナノシート分散液を用い、前記ナノシートからなるナノシート単層膜を形成することと
を包含し、
前記ナノシート、前記有機溶媒および前記基板は、次式を満たす、方法。
ｎＬ＞（ｘ×Ｅ×Ｌ）／（Ｓ×（Ａ１－Ａ２）×ｓｉｎθ）
ｎＬ＞ｄ
ここで、Ｌは、前記ナノシートのユニットセルの１辺の長さ（ｍ）であり、ｎＬは、前記ナノシートの短手方向の長さ（ｍ）であり、Ｓは、前記ナノシートのユニットセルの面積（ｍ２）であり、Ｅは、前記ナノシートを構成する原子間の結合エネルギー（Ｊ／ｍｏｌ）であり、ｘは、ユニットセルと同じ大きさのナノシートを仮定した場合に、ナノシートの水平面に垂直な結晶面を横切る化学結合の数（ｍｏｌ）であり、Ａ１は、前記ナノシートと前記基板との間の接着エネルギー（Ｊ／ｍ２）であり、Ａ２は、前記ナノシートと前記有機溶媒との間の接着エネルギー（Ｊ／ｍ２）であり、θは、前記基板の前記凹凸構造の側面と、前記基板の主面とのなす角であり、０°より大きく９０°未満であり、ｄは、前記凹凸構造の凸部と凸部との間の距離（ｍ）である。
ナノシートが有機溶媒に分散したナノシート分散液を調製することと、
凹凸構造を有する基板を準備することと、
前記基板上に前記ナノシート分散液を用い、前記ナノシートからなるナノシート単層膜を形成することと
を包含し、
前記ナノシート、前記有機溶媒および前記基板は、次式を満たす、方法。
ｎＬ＞（ｘ×Ｅ×Ｌ）／（Ｓ×（Ａ１－Ａ２）×ｓｉｎθ）
ｎＬ＞ｄ
ここで、Ｌは、前記ナノシートのユニットセルの１辺の長さ（ｍ）であり、ｎＬは、前記ナノシートの短手方向の長さ（ｍ）であり、Ｓは、前記ナノシートのユニットセルの面積（ｍ２）であり、Ｅは、前記ナノシートを構成する原子間の結合エネルギー（Ｊ／ｍｏｌ）であり、ｘは、ユニットセルと同じ大きさのナノシートを仮定した場合に、ナノシートの水平面に垂直な結晶面を横切る化学結合の数（ｍｏｌ）であり、Ａ１は、前記ナノシートと前記基板との間の接着エネルギー（Ｊ／ｍ２）であり、Ａ２は、前記ナノシートと前記有機溶媒との間の接着エネルギー（Ｊ／ｍ２）であり、θは、前記基板の前記凹凸構造の側面と、前記基板の主面とのなす角であり、０°より大きく９０°未満であり、ｄは、前記凹凸構造の凸部と凸部との間の距離（ｍ）である。
【請求項2】
前記凹凸構造は、山状または角錐状である、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記ナノシートは、チタン酸化物、ニオブ酸化物、タンタル酸化物、ペロブスカイト酸化物、マンガン酸化物、コバルト酸化物、モリブデン酸化物、タングステン酸化物、ルテニウム酸化物、リン酸、炭素、窒化ホウ素、リン、遷移金属カルコゲナイド、複水酸化物、および、希土類水酸化物からなる群から選択される無機層状物質から単層剥離されている、請求項１または２に記載の方法。
【請求項4】
前記有機溶媒は、ジメチルスルホキシド、ホルムアミド、プロパノール、ジメチルホルムアミド、テトラヒドロフラン、Ｎ，Ｎ－ジメチルアセトアミド、１，３－ジメチル－２－イミダゾリジノンおよびＮ，Ｎ’－ジメチルプロピレン尿素からなる群から少なくとも１種選択される、請求項１～３のいずれかに記載の方法。
【請求項5】
前記ｎＬは、４６０×１０－９ｍより大きく５００×１０－６ｍ以下の範囲である、請求項１～４のいずれかに記載の方法。
【請求項6】
前記θは、１０°以上３０°以下の範囲である、請求項１～５のいずれかに記載の方法。
【請求項7】
前記ナノシート分散液中の前記ナノシートの濃度は、０．０５質量％以上１質量％以下の範囲である、請求項１～６のいずれかに記載の方法。
【請求項8】
前記ナノシート単層膜を形成することは、前記基板上に前記有機溶媒からなる液膜を形成し、前記液膜表面に前記ナノシートを浮遊させ、前記有機溶媒の蒸発に伴い、前記ナノシートを前記凹凸構造の側面に転写させる、請求項１～７のいずれかに記載の方法。
【請求項9】
前記ナノシート単層膜を形成することは、スピンコート法またはラングミュア・ブロジェット（ＬＢ）法を用いる、請求項１～８のいずれかに記載の方法。
【請求項10】
前記基板は、ポリマー被覆されている、請求項１～９のいずれかに記載の方法。
【請求項11】
前記ナノシートのアスペクト比は、８００以上８０００以下の範囲である、請求項１～１０のいずれかに記載の方法。
【請求項12】
前記ナノシート単層膜を形成することに続いて、前記ナノシート単層膜を乾燥することをさらに包含する、請求項１～１１のいずれかに記載の方法。
【請求項13】
結晶軸方位に沿ったエッジを有し、結晶構造を反映した矩形または三角形の形状を有する、ナノシート。
【請求項14】
前記エッジは、［０１］方位および［１０］方位である、請求項１３に記載のナノシート。
【請求項15】
長手方向の長さは、５００ｎｍ以上５μｍ以下の範囲である、請求項１３または１４に記載のナノシート。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ナノシートを結晶軸方位に沿って切断する方法、および、切断されたナノシートに関する。
【背景技術】
【0002】
層状化合物は化学結合により形成される層が分子間力により積層した構造を持ち、多くの層状化合物を機械的あるいは化学的に１層ずつにまで剥離できる。この単層剥離により得られるナノシートは、原子１個～数個からなる厚みである一方、面内方向には数十μｍに及ぶ大きさを持つ二次元結晶である。グラフェンやカルコゲン化物、酸化物、水酸化物など多岐にわたる材料のナノシートがこれまでに合成され、その組成や構造により、高電子移動度、強誘電性、触媒、クロミズム、強磁性などさまざまな魅力的な特性を示すことが知られている。
【0003】
このようなナノシートを用いてナノシート単層膜を形成する技術が知られている（例えば、特許文献１、２を参照）。特許文献１によれば、スピンコート法を用いてナノシート単層膜を形成する方法が開示される。特許文献２によれば、ラングミュア・ブロジェット（ＬＢ）法により基板上にＮｂＯ６および／またはＴｉＯ６八面体ユニットからなる光触媒ナノシートからなる薄膜を形成する方法が開示される。
【0004】
一方で、ナノシート（二次元マテリアル）を二次加工（切断や穿孔など）することは、ナノシートの高機能化やナノシートを用いたデバイス作製において重要なプロセスである（例えば、非特許文献１～４を参照）。
【0005】
ナノシートを切断する方法として、非特許文献１は、ナノシートを吸着させた基板を横方向に引っ張ることにより機械的な外力を加える方法、非特許文献２は、ナノシートの上下に部分的に基板を吸着させ、二つの基板を上下に離す方法、非特許文献３は、走査プローブ顕微鏡を用い切断する方法、非特許文献４は、レーザーを用いたリソグラフィ法を開示する。
【0006】
しかしながら、非特許文献１、２の機械的な外力を加える方法では、切断されるナノシートの形状や大きさを制御できない。また、結晶軸方位を制御して切断する方法はこれまで報告がない。原理的にはナノシートの結晶方位を明らかにした上で、その方位と垂直な方向に外力を加える必要があると考えられるが、基板上での結晶軸方位の決定、それに応じた外力印加のいずれのステップでも様々な技術課題が存在し、現時点では現実的でないと考えられる。それに加えて、非特許文献３、４のリソグラフィ法では、１枚のナノシートを処理するのに時間がかかり、大規模な加工には適していない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開２０１３－２５３００９号公報
【特許文献2】特開２００９－２９２６８０号公報
【非特許文献】
【0008】
【非特許文献1】Ｓｅｕｎｇ Ｒｙｕｌ Ｎａら，ＡＣＳ Ｎａｎｏ，２０１６，１０，９６１６
【非特許文献2】Ｋｙｏｕｎｇｈｗａｎ Ｋｉｍら，Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔ．，２０１６，１６，１９８９
【非特許文献3】Ｈｏｎｇｙｕａｎ Ｌｉら，Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔ．，２０１８，１８，８０１１
【非特許文献4】Ｘｕ－Ｄｏｎｇ Ｃｈｅｎら，Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．，２０１６，２８，２５６３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
以上から、本発明の課題は、ナノシートを結晶軸方位に沿って切断する方法、および、それによって得られるナノシートを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明によるナノシートを結晶軸方位に沿って切断する方法は、ナノシートが有機溶媒に分散したナノシート分散液を調製することと、凹凸構造を有する基板を準備することと、前記基板上に前記ナノシート分散液を用い、前記ナノシートからなるナノシート単層膜を形成することとを包含し、前記ナノシート、前記有機溶媒および前記基板は、次式を満たし、これにより上記課題を解決する。
ｎＬ＞（ｘ×Ｅ×Ｌ）／（Ｓ×（Ａ１－Ａ２）×ｓｉｎθ）
ｎＬ＞ｄ
ここで、Ｌは、前記ナノシートのユニットセルの１辺の長さ（ｍ）であり、ｎＬは、前記ナノシートの短手方向の長さ（ｍ）であり、Ｓは、前記ナノシートのユニットセルの面積（ｍ２）であり、Ｅは、前記ナノシートを構成する原子間の結合エネルギー（Ｊ／ｍｏｌ）であり、ｘは、ユニットセルと同じ大きさのナノシートを仮定した場合に、ナノシートの水平面に垂直な結晶面を横切る化学結合の数（ｍｏｌ）であり、Ａ１は、前記ナノシートと前記基板との間の接着エネルギー（Ｊ／ｍ２）であり、Ａ２は、前記ナノシートと前記有機溶媒との間の接着エネルギー（Ｊ／ｍ２）であり、θは、前記基板の前記凹凸構造の側面と、前記基板の主面とのなす角であり、０°より大きく９０°未満であり、ｄは、前記凹凸構造の凸部と凸部との間の距離（ｍ）である。
前記凹凸構造は、山状または角錐状であってよい。
前記ナノシートは、チタン酸化物、ニオブ酸化物、タンタル酸化物、ペロブスカイト酸化物、マンガン酸化物、コバルト酸化物、モリブデン酸化物、タングステン酸化物、ルテニウム酸化物、リン酸、炭素、窒化ホウ素、リン、遷移金属カルコゲナイド、複水酸化物、および、希土類水酸化物からなる群から選択される無機層状物質から単層剥離されていてよい。
前記有機溶媒は、ジメチルスルホキシド、ホルムアミド、プロパノール、ジメチルホルムアミド、テトラヒドロフラン、Ｎ，Ｎ－ジメチルアセトアミド、１，３－ジメチル－２－イミダゾリジノンおよびＮ，Ｎ’－ジメチルプロピレン尿素からなる群から少なくとも１種選択されてもよい。
前記ｎＬは、４６０×１０－９ｍより大きく５００×１０－６ｍ以下の範囲であってもよい。
前記θは、１０°以上３０°以下の範囲であってもよい。
前記ナノシート分散液中の前記ナノシートの濃度は、０．０５質量％以上１質量％以下の範囲であってもよい。
前記ナノシート単層膜を形成することは、前記基板上に前記有機溶媒からなる液膜を形成し、前記液膜表面に前記ナノシートを浮遊させ、前記有機溶媒の蒸発に伴い、前記ナノシートを前記凹凸構造の側面に転写させてもよい。
前記ナノシート単層膜を形成することは、スピンコート法またはラングミュア・ブロジェット（ＬＢ）法を用いてもよい。
前記基板は、ポリマー被覆されていてもよい。
前記ナノシートのアスペクト比は、８００以上８０００以下の範囲であってもよい。
前記ナノシート単層膜を形成することに続いて、前記ナノシート単層膜を乾燥することをさらに包含してもよい。
本発明によるナノシートは、結晶軸方位に沿ったエッジを有し、結晶構造を反映した矩形または三角形の形状を有し、これにより上記課題を解決する。
前記エッジは、［０１］方位および［１０］方位であってもよい。
長手方向の長さは、５００ｎｍ以上５μｍ以下の範囲であってもよい。
ｎＬ＞（ｘ×Ｅ×Ｌ）／（Ｓ×（Ａ１－Ａ２）×ｓｉｎθ）
ｎＬ＞ｄ
ここで、Ｌは、前記ナノシートのユニットセルの１辺の長さ（ｍ）であり、ｎＬは、前記ナノシートの短手方向の長さ（ｍ）であり、Ｓは、前記ナノシートのユニットセルの面積（ｍ２）であり、Ｅは、前記ナノシートを構成する原子間の結合エネルギー（Ｊ／ｍｏｌ）であり、ｘは、ユニットセルと同じ大きさのナノシートを仮定した場合に、ナノシートの水平面に垂直な結晶面を横切る化学結合の数（ｍｏｌ）であり、Ａ１は、前記ナノシートと前記基板との間の接着エネルギー（Ｊ／ｍ２）であり、Ａ２は、前記ナノシートと前記有機溶媒との間の接着エネルギー（Ｊ／ｍ２）であり、θは、前記基板の前記凹凸構造の側面と、前記基板の主面とのなす角であり、０°より大きく９０°未満であり、ｄは、前記凹凸構造の凸部と凸部との間の距離（ｍ）である。
前記凹凸構造は、山状または角錐状であってよい。
前記ナノシートは、チタン酸化物、ニオブ酸化物、タンタル酸化物、ペロブスカイト酸化物、マンガン酸化物、コバルト酸化物、モリブデン酸化物、タングステン酸化物、ルテニウム酸化物、リン酸、炭素、窒化ホウ素、リン、遷移金属カルコゲナイド、複水酸化物、および、希土類水酸化物からなる群から選択される無機層状物質から単層剥離されていてよい。
前記有機溶媒は、ジメチルスルホキシド、ホルムアミド、プロパノール、ジメチルホルムアミド、テトラヒドロフラン、Ｎ，Ｎ－ジメチルアセトアミド、１，３－ジメチル－２－イミダゾリジノンおよびＮ，Ｎ’－ジメチルプロピレン尿素からなる群から少なくとも１種選択されてもよい。
前記ｎＬは、４６０×１０－９ｍより大きく５００×１０－６ｍ以下の範囲であってもよい。
前記θは、１０°以上３０°以下の範囲であってもよい。
前記ナノシート分散液中の前記ナノシートの濃度は、０．０５質量％以上１質量％以下の範囲であってもよい。
前記ナノシート単層膜を形成することは、前記基板上に前記有機溶媒からなる液膜を形成し、前記液膜表面に前記ナノシートを浮遊させ、前記有機溶媒の蒸発に伴い、前記ナノシートを前記凹凸構造の側面に転写させてもよい。
前記ナノシート単層膜を形成することは、スピンコート法またはラングミュア・ブロジェット（ＬＢ）法を用いてもよい。
前記基板は、ポリマー被覆されていてもよい。
前記ナノシートのアスペクト比は、８００以上８０００以下の範囲であってもよい。
前記ナノシート単層膜を形成することに続いて、前記ナノシート単層膜を乾燥することをさらに包含してもよい。
本発明によるナノシートは、結晶軸方位に沿ったエッジを有し、結晶構造を反映した矩形または三角形の形状を有し、これにより上記課題を解決する。
前記エッジは、［０１］方位および［１０］方位であってもよい。
長手方向の長さは、５００ｎｍ以上５μｍ以下の範囲であってもよい。
【発明の効果】
【0011】
本発明のナノシートを結晶軸方位に沿って切断する方法は、ナノシートが有機溶媒に分散したナノシート分散液を調製することと、凹凸構造を有する基板を準備することと、基板上にナノシート分散液を用い、ナノシートからなるナノシート単層膜を形成することとを包含し、ナノシートおよび基板が上述の式を満たす。ナノシート、有機溶媒および基板を、上記式を満たすように選択することにより、ナノシートが基板の凹凸構造に吸着し、ナノシート面内に引張応力が発生する。その結果、ナノシートは結晶軸方位に沿って切断される。
【0012】
このようにして切断されたナノシートは、結晶軸方位に沿ったエッジを有し、結晶構造を反映した矩形または三角形の形状を有する。エッジにおいて、高強誘電性、高い触媒活性、高いクロミズム、高強磁性等を示し得るため、種々のデバイスへの適用が期待される。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】本発明によるナノシートを結晶軸方位に沿って切断するプロセスを示すフローチャート
【図2】ナノシートのユニットセルを示す模式図
【図3】凹凸構造を有する基板の断面を示す模式図
【図4】ナノシートが切断される原理を示す模式図
【図5】凹凸構造を有する基板の一例を模式的に示す図
【図6】凹凸構造を有する基板の別の一例を模式的に示す図
【図7】酸化チタンナノシートの切断に必要なエネルギーと接着エネルギーとの関係を示す図
【図8】基板１のＡＦＭ像を示す図
【図9】基板２のＡＦＭ像を示す図
【図10】基板１および基板２の表面形状の断面を示す図
【図11】例１のＮＳ１／基板１のＡＦＭ像を示す図
【図12】例２のＮＳ１／基板２のＡＦＭ像を示す図
【図13】例１のＮＳ１／基板１および例２のＮＳ１／基板２の表面形状の断面を示す図
【図14】例１のＮＳ１／基板１のＳＥＭ像を示す図
【図15】例２のＮＳ１／基板２のＳＥＭ像を示す図
【図16】例５のＮＳ２／基板１のＳＥＭ像および基板上のナノシートの長さ分布を示す図
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。なお、同様の要素には同様の番号を付し、その説明を省略する。
図１は、本発明によるナノシートを結晶軸方位に沿って切断するプロセスを示すフローチャートである。
図１は、本発明によるナノシートを結晶軸方位に沿って切断するプロセスを示すフローチャートである。
【0015】
本願発明者らは、ナノシート、有機溶媒および基板を適切に選択することにより、以下のステップＳ１１０～Ｓ１３０を実施することにより、ナノシートを結晶軸方位に沿って切断できることを見出した。
ステップＳ１１０：ナノシートが有機溶媒に分散したナノシート分散液を調製すること。ナノシートとは、厚さが原子１個から十数個分の範囲にある二次元のシート状の物質である。典型的には、厚さは０．３ｎｍ以上５ｎｍ以下である。
ステップＳ１２０：凹凸構造を有する基板を準備すること。
ステップＳ１３０：基板上にナノシート分散液を用い、ナノシートからなるナノシート単層膜を形成すること。ナノシート単層膜とは、ナノシートが配列して形成する単層膜を意図する。
ステップＳ１１０：ナノシートが有機溶媒に分散したナノシート分散液を調製すること。ナノシートとは、厚さが原子１個から十数個分の範囲にある二次元のシート状の物質である。典型的には、厚さは０．３ｎｍ以上５ｎｍ以下である。
ステップＳ１２０：凹凸構造を有する基板を準備すること。
ステップＳ１３０：基板上にナノシート分散液を用い、ナノシートからなるナノシート単層膜を形成すること。ナノシート単層膜とは、ナノシートが配列して形成する単層膜を意図する。
【0016】
ここで、ナノシート、有機溶媒および基板は、次の関係を満たすように選択される。
ｎＬ＞（ｘ×Ｅ×Ｌ）／（Ｓ×（Ａ１－Ａ２）×ｓｉｎθ）・・・（１）
ｎＬ＞ｄ ・・・（２）
ここで、Ｌは、ナノシートのユニットセルの１辺の長さ（ｍ）であり、ｎＬは、ナノシートの短手方向の長さ（ｍ）であり、Ｓは、ナノシートのユニットセルの面積（ｍ２）であり、Ｅは、ナノシートを構成する原子間の結合エネルギー（Ｊ／ｍｏｌ）であり、ｘは、ユニットセルと同じ大きさのナノシートを仮定した場合に、ナノシートの水平面に垂直な結晶面を横切る化学結合の数（ｍｏｌ）であり、Ａ１は、ナノシートと基板との間の接着エネルギー（Ｊ／ｍ２）であり、Ａ２は、ナノシートと有機溶媒との間の接着エネルギー（Ｊ／ｍ２）であり、θは、基板の凹凸構造の側面と、基板の主面とのなす角であり、０°より大きく９０°未満であり、ｄは、凹凸構造の凸部と凸部との間の距離（ｍ）である。
ｎＬ＞（ｘ×Ｅ×Ｌ）／（Ｓ×（Ａ１－Ａ２）×ｓｉｎθ）・・・（１）
ｎＬ＞ｄ ・・・（２）
ここで、Ｌは、ナノシートのユニットセルの１辺の長さ（ｍ）であり、ｎＬは、ナノシートの短手方向の長さ（ｍ）であり、Ｓは、ナノシートのユニットセルの面積（ｍ２）であり、Ｅは、ナノシートを構成する原子間の結合エネルギー（Ｊ／ｍｏｌ）であり、ｘは、ユニットセルと同じ大きさのナノシートを仮定した場合に、ナノシートの水平面に垂直な結晶面を横切る化学結合の数（ｍｏｌ）であり、Ａ１は、ナノシートと基板との間の接着エネルギー（Ｊ／ｍ２）であり、Ａ２は、ナノシートと有機溶媒との間の接着エネルギー（Ｊ／ｍ２）であり、θは、基板の凹凸構造の側面と、基板の主面とのなす角であり、０°より大きく９０°未満であり、ｄは、凹凸構造の凸部と凸部との間の距離（ｍ）である。
【0017】
本願発明者らは、上述のナノシートと有機溶媒と基板との関係を見出し、所定の条件を満たした際に、ナノシートを結晶軸方位に沿って切断することに成功した。式（１）および式（２）について、図面を参照して説明する。
【0018】
【0019】
＜ナノシートのユニットセル＞
ナノシート２１０は、無機層状物質２２０から単層剥離されたシートであり、数原子層の厚さを有する。無機層状物質２２０およびナノシートの種類について後述する。無機層状物質２２０のナノシート２１０は、無機層状物質２２０の種類によってユニットセルの形状が異なるが、二次元長方格子、二次元正方格子、二次元六方格子、二次元四辺形格子の４種類に分類される。
ナノシート２１０は、無機層状物質２２０から単層剥離されたシートであり、数原子層の厚さを有する。無機層状物質２２０およびナノシートの種類について後述する。無機層状物質２２０のナノシート２１０は、無機層状物質２２０の種類によってユニットセルの形状が異なるが、二次元長方格子、二次元正方格子、二次元六方格子、二次元四辺形格子の４種類に分類される。
【0020】
図２では、二次元長方格子のユニットセル２３０を有する無機層状物質２２０、および、それから単層剥離されたナノシート２１０が示される。例えば、このような無機層状物質には酸化チタンがあり、ユニットセル中、大きな原子がＯ（酸素）であり、小さな原子がＴｉ（チタン）である。参考のため、図２には、酸化チタンナノシート（Ｔｉ０．８７Ｏ２
０．５２－ナノシート）の場合の格子の長さを示す。
【0021】
（１）式において、Ｌ（ｍ）は、図２に示されるように、ユニットセル２３０の短手方向の長さであってよく、面積Ｓ（ｍ２）は、Ｌ×Ｌ×ｃ（ｃは定数、ｃ＞１）で表される。なお、ナノシートが二次元正方格子の場合には、Ｌは一辺の長さであり、ＳはＬ×Ｌとなる。ナノシートが二次元六方格子の場合には、Ｌは一辺の長さであり、ＳはＬ×Ｌ×ｓｉｎ６０°となる。ナノシートが二次元四辺形格子の場合には、Ｌは短手方向の長さであり、ＳはＬ×Ｌ×ｃ×ｓｉｎα（ｃおよびαは定数、ｃ≧１、０°＜α＜９０°、ただし、ｃ＝１かつα＝６０°を除く）となる。
【0022】
＜ナノシートの形状および大きさ＞
ナノシート２１０は、複数個のユニットセル２３０から構成されており、基本的にユニットセル２３０の相似形である。したがって、ナノシート２１０は各辺をｎ倍した大きさを有するとする。このとき、ナノシート２１０の一辺の長さ（二次元長方格子の場合には短手方向の長さ）は、ｎ×Ｌ（ｍ）となり、その面積はｎ２×Ｓとなる。例示的には、ｎＬは、４６０×１０－９ｍより大きく５００×１０－６ｍ以下の範囲を選択するとよい。これによりナノシートの切断を促進できる。また、後述する化学結合の数ｘに関係するが、ナノシートは、好ましくは、８００以上８０００以下の範囲のアスペクト比を有するものを採用するとよい。これにより、ナノシートは効率的に切断される。
ナノシート２１０は、複数個のユニットセル２３０から構成されており、基本的にユニットセル２３０の相似形である。したがって、ナノシート２１０は各辺をｎ倍した大きさを有するとする。このとき、ナノシート２１０の一辺の長さ（二次元長方格子の場合には短手方向の長さ）は、ｎ×Ｌ（ｍ）となり、その面積はｎ２×Ｓとなる。例示的には、ｎＬは、４６０×１０－９ｍより大きく５００×１０－６ｍ以下の範囲を選択するとよい。これによりナノシートの切断を促進できる。また、後述する化学結合の数ｘに関係するが、ナノシートは、好ましくは、８００以上８０００以下の範囲のアスペクト比を有するものを採用するとよい。これにより、ナノシートは効率的に切断される。
【0023】
＜ナノシート内部の化学結合＞
図２において、ｘは、ユニットセルと同じ大きさのナノシートを仮定した場合、ナノシートの水平面に垂直な結晶面を横切る化学結合の数（ｍｏｌ）となる。したがって、ナノシートを構成する原子間の結合エネルギーＥ（Ｊ／ｍｏｌ）、および、ユニットセル２３０の長さＬ（ｍ）（二次元長方格子の場合には短手方向の長さ）を用いれば、ユニットセルの長さあたりの結合エネルギーの合計は、Ｅ×ｘ／Ｌとなる。
図２において、ｘは、ユニットセルと同じ大きさのナノシートを仮定した場合、ナノシートの水平面に垂直な結晶面を横切る化学結合の数（ｍｏｌ）となる。したがって、ナノシートを構成する原子間の結合エネルギーＥ（Ｊ／ｍｏｌ）、および、ユニットセル２３０の長さＬ（ｍ）（二次元長方格子の場合には短手方向の長さ）を用いれば、ユニットセルの長さあたりの結合エネルギーの合計は、Ｅ×ｘ／Ｌとなる。
【0024】
＜基板の表面形状＞
図３に示すように、本発明では、基板３００は、凹凸構造３１０を有する。基板３００の主面３２０（すなわち、基板３００の水平面）に対する凹凸構造３１０の側面（分かりやすさの観点から斜面とも呼ぶ）のなす角θが０°より大きく９０°未満を満たす。θが０°の場合には凹凸構造３１０とならない。θが９０°の場合には、ナノシートが凹凸構造３１０に接着できないので、ナノシートを切断できない。なす角θは、好ましくは、１０°以上３０°以下の範囲である。この範囲であれば、ナノシートが凹凸構造３１０の斜面に吸着し、後述する引張応力が発生し、切断を促進できる。
図３に示すように、本発明では、基板３００は、凹凸構造３１０を有する。基板３００の主面３２０（すなわち、基板３００の水平面）に対する凹凸構造３１０の側面（分かりやすさの観点から斜面とも呼ぶ）のなす角θが０°より大きく９０°未満を満たす。θが０°の場合には凹凸構造３１０とならない。θが９０°の場合には、ナノシートが凹凸構造３１０に接着できないので、ナノシートを切断できない。なす角θは、好ましくは、１０°以上３０°以下の範囲である。この範囲であれば、ナノシートが凹凸構造３１０の斜面に吸着し、後述する引張応力が発生し、切断を促進できる。
【0025】
ナノシート２１０が、凹凸構造３１０の山と山との距離ｄを超えて吸着する必要があるため、ナノシート２１０の長さ（二次元長方格子の場合には短手方向の長さ）は、ｄよりも大きくなければならない（上記（２）式）。ｎＬ≦ｄの場合には、ナノシート２１０が距離ｄを超えて、凹凸構造３１０の斜面に吸着できず、ナノシート２１０を切断できない。
【0026】
＜接着エネルギー＞
次に、ナノシート２１０の接着エネルギーを求める。ここで、ナノシート２１０の接着エネルギーには、ナノシート２１０と基板３００との間の接着エネルギーＡ１（Ｊ／ｍ２）、および、ナノシート２１０と有機溶媒との接着エネルギーＡ２（Ｊ／ｍ２）とが存在し、この差が、有機溶媒表面に存在するナノシート２１０が基板３００に接着する際の接着エネルギーになる。
次に、ナノシート２１０の接着エネルギーを求める。ここで、ナノシート２１０の接着エネルギーには、ナノシート２１０と基板３００との間の接着エネルギーＡ１（Ｊ／ｍ２）、および、ナノシート２１０と有機溶媒との接着エネルギーＡ２（Ｊ／ｍ２）とが存在し、この差が、有機溶媒表面に存在するナノシート２１０が基板３００に接着する際の接着エネルギーになる。
【0027】
接着エネルギーＡ１、Ａ２は、ナノシート２１０、基板３００および有機溶媒の表面自由エネルギーを用いて算出できる。表面自由エネルギーは、文献値を用いてもよいし、接触角測定による測定値を用いてもよい。本願明細書では、プローブ液体には水およびヨウ化メチレンを用い、接触角計（協和界面科学株式会社製、ＤＭｅ－２１０）により接触角測定を実施した。
【0028】
ナノシート２１０、基板３００および有機溶媒の表面自由エネルギーをそれぞれＧ１、Ｇ２およびＧ３（Ｊ／ｍ２）とすると、Ａ１およびＡ２はそれぞれ以下のように表せる。
Ａ１＝２×√（Ｇ１×Ｇ２）
Ａ２＝２×√（Ｇ１×Ｇ３）
ここで、Ａ１＞Ａ２を満たす。これにより、ナノシート２１０は、有機溶媒から基板３００へと転写される。
Ａ１＝２×√（Ｇ１×Ｇ２）
Ａ２＝２×√（Ｇ１×Ｇ３）
ここで、Ａ１＞Ａ２を満たす。これにより、ナノシート２１０は、有機溶媒から基板３００へと転写される。
【0029】
＜基板への吸着時にナノシートに作用する引張応力＞
上述のステップＳ１３０により、基板３００の表面にて有機溶媒４１０表面に浮遊したナノシートが集積したナノシート単層膜４２０（図４）を形成するが、有機溶媒４１０の蒸発に伴い、ナノシート単層膜４２０は、基板３００に転写される。なお、図４では、分かりやすさのために細部を拡大して示すため、ナノシート単層膜４２０は、単一のナノシートであるが、基板全体に対しては、ナノシートが水平方向に配列したナノシート単層膜を構成することを理解されたい。
上述のステップＳ１３０により、基板３００の表面にて有機溶媒４１０表面に浮遊したナノシートが集積したナノシート単層膜４２０（図４）を形成するが、有機溶媒４１０の蒸発に伴い、ナノシート単層膜４２０は、基板３００に転写される。なお、図４では、分かりやすさのために細部を拡大して示すため、ナノシート単層膜４２０は、単一のナノシートであるが、基板全体に対しては、ナノシートが水平方向に配列したナノシート単層膜を構成することを理解されたい。
【0030】
すなわち、ナノシート２１０と有機溶媒４１０との接着エネルギーＡ２が失われて、ナノシート２１０と基板３００との接着エネルギーＡ１が生じる。上述したように、Ａ１＞Ａ２を満たすので、このときの接着エネルギー差は、Ａ１－Ａ２となる。この接着エネルギー差に基づく接着力が、基板３００の凹凸構造３１０の斜面に垂直な方向に作用する。この水平方向成分がナノシート２１０に作用する引張応力Ｔ（Ｊ）となる。引張応力Ｔは、接着エネルギー差の水平方向成分とナノシートの面積との積として次式で表される。
Ｔ＝（Ａ１―Ａ２）×ｓｉｎθ×ｎ２×Ｓ ・・・（Ａ）
Ｔ＝（Ａ１―Ａ２）×ｓｉｎθ×ｎ２×Ｓ ・・・（Ａ）
【0031】
θ＝０°（凹凸構造を有しない基板）の場合、引張応力Ｔが０となり、ナノシートは切断されない。また、θ＝９０°の場合、ナノシートが基板の凹凸構造に追従できず、凹凸構造との接着面積が小さいので、十分な接着エネルギーが生じず、ナノシートは切断されない。
【0032】
＜ナノシートを切断するために必要なエネルギー＞
ある結晶軸に沿ってナノシートを切断するためには、その結晶軸を含む、ナノシートの水平面に垂直な結晶面を横切る化学結合をナノシートの端から端まで切断する必要がある。そのエネルギーの総和Ｄ（Ｊ）は、ユニットセルの長さあたりの結合エネルギーの合計（Ｅ×ｘ／Ｌ）およびナノシートの長さｎＬを用いて、次式のように表される。
Ｄ＝Ｅ×ｘ／Ｌ×ｎＬ （Ｂ）
ある結晶軸に沿ってナノシートを切断するためには、その結晶軸を含む、ナノシートの水平面に垂直な結晶面を横切る化学結合をナノシートの端から端まで切断する必要がある。そのエネルギーの総和Ｄ（Ｊ）は、ユニットセルの長さあたりの結合エネルギーの合計（Ｅ×ｘ／Ｌ）およびナノシートの長さｎＬを用いて、次式のように表される。
Ｄ＝Ｅ×ｘ／Ｌ×ｎＬ （Ｂ）
【0033】
＜凹凸構造の斜面への吸着によりナノシートを切断する条件＞
基板３００の凹凸構造３１０の斜面にナノシートが吸着した際に、ナノシートに作用する引張応力Ｔが、結晶軸方位に沿ってナノシートを切断するために必要なエネルギーを上回ること、すなわちＴ＞Ｄであることが必要である。したがって、式（Ａ）および式（Ｂ）から、上記式（１）を満たすときにナノシートを切断できると導ける。
基板３００の凹凸構造３１０の斜面にナノシートが吸着した際に、ナノシートに作用する引張応力Ｔが、結晶軸方位に沿ってナノシートを切断するために必要なエネルギーを上回ること、すなわちＴ＞Ｄであることが必要である。したがって、式（Ａ）および式（Ｂ）から、上記式（１）を満たすときにナノシートを切断できると導ける。
【0034】
次に、本発明の方法を実施するにあたり、使用する構成要素について詳述する。
切断されるべきナノシートは、上述したように、無機層状物質から単層剥離されたナノシートであれば特に制限はないが、好ましくは、チタン酸化物、ニオブ酸化物、タンタル酸化物、ペロブスカイト酸化物、マンガン酸化物、コバルト酸化物、モリブデン酸化物、タングステン酸化物、ルテニウム酸化物、リン酸、炭素、窒化ホウ素、リン、遷移金属カルコゲナイド、複水酸化物、および、希土類水酸化物からなる群から選択される無機層状物質から単層剥離されている。これらの無機層状物質から単層剥離されたナノシートは公知であり、電子・イオン伝導性、半導体性、絶縁性、高誘電性、強誘電性、強磁性、蛍光特性、光触媒性等の優れた性質を示す、または、期待されており、実用化に有利である。当業者であれば、用途に応じて、ナノシートを適宜選択し得る。
切断されるべきナノシートは、上述したように、無機層状物質から単層剥離されたナノシートであれば特に制限はないが、好ましくは、チタン酸化物、ニオブ酸化物、タンタル酸化物、ペロブスカイト酸化物、マンガン酸化物、コバルト酸化物、モリブデン酸化物、タングステン酸化物、ルテニウム酸化物、リン酸、炭素、窒化ホウ素、リン、遷移金属カルコゲナイド、複水酸化物、および、希土類水酸化物からなる群から選択される無機層状物質から単層剥離されている。これらの無機層状物質から単層剥離されたナノシートは公知であり、電子・イオン伝導性、半導体性、絶縁性、高誘電性、強誘電性、強磁性、蛍光特性、光触媒性等の優れた性質を示す、または、期待されており、実用化に有利である。当業者であれば、用途に応じて、ナノシートを適宜選択し得る。
【0035】
チタン酸化物は、単層剥離により酸化チタンナノシートを生成する任意の層状チタン酸化物である。ここで単層剥離された酸化チタンナノシートは、例えば、表１に具体的に示されるように、一般式（Ｔｉ，Ｍ）Ｏ２－ｄ（Ｍは金属元素または空孔であり、０≦ｄ≦１）で表される。このような酸化チタンナノシートを生成する層状チタン酸化物は、例えば、Ｎａ２Ｔｉ３Ｏ７、Ｋ２Ｔｉ４Ｏ９、Ｃｓ２Ｔｉ５Ｏ１１、Ａｙ（Ｔｉ，Ｍ）２Ｏ４（Ａは少なくとも１種のアルカリ金属元素であり、Ｍは１～３価の金属元素である）等がある。
【0036】
ニオブ酸化物は、単層剥離により酸化ニオブナノシートを生成する任意の層状ニオブ酸化物である。表１に示すように、例示的な酸化ニオブナノシートには、Ｎｂ３Ｏ８
－、Ｎｂ６Ｏ１７
４－、ＴｉＮｂＯ５
－、Ｔｉ５ＮｂＯ１４
３－、Ｔｉ２ＮｂＯ７
－等がある。このような酸化ニオブナノシートを生成する層状ニオブ酸化物には、ＫＮｂ３Ｏ８、Ｋ４Ｎｂ６Ｏ１７、Ａ［ＴｉＮｂＯ５］、Ａ３［Ｔｉ５ＮｂＯ１４］、Ａ［Ｔｉ２ＮｂＯ７］（Ａは少なくとも１種のアルカリ金属元素である）等がある。
【0037】
タンタル酸化物は、単層剥離により酸化タンタルナノシートを生成する任意の層状タンタル酸化物である。表１に示すように、例示的な酸化タンタルナノシートにはＴａＯ３
－、ＴｉＴａＯ５
－等がある。このような酸化タンタルナノシートを生成する層状タンタル酸化物には、ＲｂＴａＯ３、Ａ［ＴｉＴａＯ５］（Ａは少なくとも１種のアルカリ金属元素である）等がある。
【0038】
ペロブスカイト酸化物は、単層剥離によりペロブスカイトナノシートを生成する任意の層状ペロブスカイト酸化物である。ここで単層剥離されたペロブスカイトナノシートには、例えば、表１に示すように、一般式Ａｎ－１ＭｎＯ３ｎ＋１
－（Ａ＝Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｎａ、Ｋ、希土類元素、Ｍ＝Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ、２≦ｎ≦７）で表されるものがある。このようなペロブスカイトナノシートを生成する層状ペロブスカイト酸化物は、Ａ’［Ａｎ－１ＭｎＯ３ｎ＋１］に代表されるＤｉｏｎ－Ｊａｃｏｂｓｏｎ型（Ａ’：アルカリ金属）、Ａ’２［Ａｎ－１ＭｎＯ３ｎ＋１］に代表されるＲｕｄｄｌｅｓｄｅｎ－Ｐｏｐｐｅｒ型、および、（Ｂｉ２Ｏ２）［Ａｎ－１ＭｎＯ３ｎ＋１］に代表されるＡｕｒｉｖｉｌｌｉｕｓ型が知られている。本化合物系は多様な化学組成をとるが、代表的な層状ペロブスカイト酸化物として、ＫＬａＮｂ２Ｏ７、ＫＣａ２Ｎｂ３Ｏ１０、ＫＳｒ２Ｎｂ３Ｏ１０、ＣｓＣａ２Ｎｂ３Ｏ１０、ＫＣａ２ＮａＮｂ４Ｏ１３、ＫＣａ２Ｎａ２Ｎｂ５Ｏ１６、ＫＣａ２Ｎａ３Ｎｂ６Ｏ１９、Ｌｉ２Ｅｕ２／３Ｔａ２Ｏ７、Ｋ２Ｌａ２Ｔｉ３Ｏ１０、（Ｋ１．５Ｅｕ０．５）Ｔａ３Ｏ１０等がある。
【0039】
マンガン酸化物は、単層剥離により酸化マンガンナノシートを生成する任意の層状マンガン酸化物である。酸化マンガンナノシートには、例えば、表１に示すように、ＭｎＯ２
０．４－、一般式Ｍｎ１－ｘＭｘＯ２
δ－（Ｍは金属元素であり、例えば、Ｒｕ、Ｃｏ、０＜ｘ≦０．５）で表されるものがある。このような酸化マンガンナノシートを生成する層状マンガン酸化物は、一般式ＡｐＭｎＯ２、ＡｐＭｎ１－ｘＭｘＯ２（Ａは少なくとも１種のアルカリ金属元素であり、０＜ｐ≦１）で表される。
【0040】
コバルト酸化物は、単層剥離により酸化コバルトナノシートを生成する任意の層状コバルト酸化物である。酸化コバルトナノシートには、例えば、ＣｏＯ２
－で表されるものがある。このような酸化コバルトナノシートを生成する層状コバルト酸化物は、一般式ＡｐＣｏＯ２（Ａは、少なくとも１種のアルカリ金属元素、アルカリ土類金属元素または遷移金属元素であり、０＜ｐ≦１）で表される。
【0041】
モリブデン酸化物は、単層剥離によりモリブデン酸ナノシートを生成する任意の層状モリブデン酸化物である。ここで、表１に示すように、モリブデン酸ナノシートには、ＭｏＯ２
δ－で表されるものがある。このようなモリブデン酸ナノシートを生成する層状モリブデン酸化物には、一般式ＡＭｏＯ２（Ａは少なくとも１種のアルカリ金属元素であり、Ｍは少なくとも１種のアルカリ金属元素である）で表されるものがある。
【0042】
タングステン酸化物は、単層剥離によりタングステン酸ナノシートを生成する任意の層状タングステン酸化物である。ここで、タングステン酸ナノシートには、表１に示すように、Ｒｂ２．４Ｗ１１Ｏ３５
１．６－
、Ｃｓ４Ｗ１１Ｏ３６
２－等のナノシートがある。このようなタングステン酸ナノシートを生成する層状タングステン酸化物には、例えば、Ｒｂ４Ｗ１１Ｏ３５、Ｃｓ６＋ｚＷ１１Ｏ３６（０≦ｚ≦０．３１）等がある。
【0043】
ルテニウム酸化物は、単層剥離により酸化ルテニウムナノシートを生成する任意の層状ルテニウム酸化物である。ここで、例示的な酸化ルテニウムナノシートは、表１に示すように、ＲｕＯ２
０．２－ならびにＲｕＯ２．１
０．２－で表される。このような酸化ルテニウムナノシートを生成する層状ルテニウム酸化物は、一般式ＡＲｕＯ２、Ａ０．２ＲｕＯ２．１（Ａは少なくとも１種のアルカリ金属元素である）で表される。
【0044】
リン酸は、単層剥離により酸化リンナノシートを生成する任意の層状リン酸である。ここで、例示的な酸化リンナノシートは、表２に示すように、Ｓｂ３Ｐ２Ｏ１４
３－、ＴａＰ２Ｏ８
－等で表される。このような酸化リンナノシートを生成する層状リン酸は、一般式Ａ３Ｓｂ３Ｐ２Ｏ１４、ＡＴａＰ２Ｏ８（Ａは少なくとも１種のアルカリ金属元素である）で表される。
【0045】
炭素は、単層剥離によりグラフェン（厚さ０．３ｎｍ）、あるいは、酸化グラフェンナノシートを生成する任意の層状炭素であり、グラファイトが知られている。リンは、単層剥離により単層黒リンナノシートを生成する層状黒リンが知られている。遷移金属カルコゲナイドは、単層剥離により単層ＭＸ２ナノシート（Ｍは、遷移金属であり、Ｘは、カルコゲンである）、単層Ｂｉ２Ｔｅ３ナノシートとなる、層状ＭＸ２、層状Ｂｉ２Ｔｅ３が知られている。窒化ホウ素は、単層剥離により単層ｈＢＮナノシート（厚さ０．３ｎｍ）となる層状ｈＢＮが知られている。複水酸化物（ＬＤＨ）および希土類水酸化物は、表２を参照されたい。
【0046】
チタン酸化物、ニオブ酸化物、タンタル酸化物、ペロブスカイト酸化物、マンガン酸化物、コバルト酸化物、モリブデン酸化物、タングステン酸化物、ルテニウム酸化物等のナノシート化のための処理は、ソフト化学処理と呼ばれ、酸処理と剥離処理を組み合わせた処理である。
【0047】
例えば、上述の無機層状物質の粉末に塩酸などの酸水溶液を接触させ、生成物をろ過、洗浄後、乾燥させると、処理前に層間に存在していたアルカリ金属イオンがすべて水素イオンまたはオキソニウムイオンに置き換わり、水素イオン交換体が得られる。次に、得られた水素イオン交換体をテトラブチルアンモニウムイオン（ＴＢＡ＋）、テトラプロピルアンモニウムイオン、テトラエチルアンモニウムイオン、テトラメチルアンモニウムイオン、ｎ－プロピルアミン、ｎ－エチルアミンおよびエタノールアミンなどの塩基性物質を含有する水溶液中に入れ撹拌すると、コロイド化する。このようにして、層状構造を構成していた層が１枚１枚にまで剥離され、ナノシートが得られる。
【0048】
酸化グラファイトは、黒鉛を化学的に酸化することにより得られる。黒鉛を硫酸、過硫酸カリウム、過マンガン酸カリウムなどの強酸で酸化後、超音波処理により、酸化グラフェン（ＧＯと称する）ナノシートが合成できる。酸化グラフェンは、水酸基、カルボン酸、エポキシ基、カルボニル基等の酸素官能基を表面に含み、親水性であるため、コロイド水溶液として得られる。
【0049】
【表1】
【0050】
【表2】
【0051】
本願明細書において、切断前のナノシートの一辺の長さ、ナノシートの厚さおよびアスペクト比は以下のようにして算出する。凹凸構造を有しない基板上に吸着させたナノシート（１６０枚）について走査型電子顕微鏡像を取得し、長手方向および短手方向の長さをそれぞれ測定し、それぞれの平均値を長手方向および短手方向の一辺の長さとした。３０枚のナノシートについて走査型プローブ顕微鏡像の断面プロファイルを測定し、その平均値を厚さとした。アスペクト比は、上述の平均の一辺の長さ（長手方向の長さおよび短手方向の長さ）を、平均厚さで除することにより算出した。
【0052】
ステップＳ１１０において、有機溶媒は、特に制限はないが、好ましくは、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）、ホルムアミド、プロパノール、ジメチルホルムアミド、テトラヒドロフラン、Ｎ，Ｎ－ジメチルアセトアミド、１，３－ジメチル－２－イミダゾリジノンおよびＮ，Ｎ’－ジメチルプロピレン尿素からなる群から選択される。これらの有機溶媒は極性溶媒であり、ナノシートが分散しやすい。中でも、ＤＭＳＯは、適度な粘性（ステップＳ１３０のナノシート単層膜の形成時に、のびて薄い液膜を形成しやすい）と蒸気圧（比較的ゆっくり乾燥するので、制御しやすい）との観点から好ましい。
【0053】
ステップＳ１１０において、ナノシート分散液中のナノシートの濃度は、ステップＳ１３０においてナノシート単層膜が形成される限り特に制限はないが、好ましくは、０．０５質量％以上５質量％以下の範囲である。この範囲であれば、ナノシート単層膜の形成を促進する。ナノシート分散液中のナノシートの分散性の観点から、より好ましくは、ナノシート分散液中のナノシートの濃度は、０．０５質量％以上１質量％以下の範囲である。
【0054】
ステップＳ１２０において、凹凸構造を有する基板は、上述の条件を満たす基板であれば、蒸着法、スパッタ法、化学蒸着法、ゾルゲル法などにより作製したものであってもよいし、あるいは、フォトリソグラフィ法、電気化学エッチング法等により表面加工してもよい。
【0055】
【0056】
基板の凹凸構造は、上述の条件を満たす限り、特に制限はないが、好ましくは、図５に示すような角錐状、または、図６に示すような山状である。例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）やフッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）からなる基板の場合、結晶構造の観点から角錐状中でも三角錐状の凹凸構造を形成しやすい。また、加工の観点から、図６に示す山状の凹凸構造は入手が容易である。なお、基板の材料は、上述に限定されず、Ａｕ、Ｐｔ等の金属基板、Ｓｉ、ＧａＡｓ等の半導体基板、石英、ガラス等の透明基板、サファイア、ＭｇＯ、ＳｒＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３：Ｎｂ（Ｎｂ添加されたＳｒＴｉＯ３）、ＳｒＲｕＯ３等の酸化物単結晶基板、プラスチック等の有機基板等任意の基板を採用できる。
【0057】
ステップＳ１２０において、基板の表面を洗浄処理により親水化処理してもよい。洗浄処理は、アセトンで表面を拭き、有機物が除去された基板を、メタノールと塩酸との混合溶液（体積比で１：１で混合）に１５分～４５分浸漬させ、超純水で洗浄後、濃硫酸に１５分～４５分浸漬、再度、超純水で洗浄すればよい。親水化処理は、酸素プラズマを照射してもよいし、オゾン雰囲気下で、１５分～３０分間、紫外線照射してもよい。
【0058】
ステップＳ１２０において、基板表面をポリマー被覆してもよい。このようなポリマーは、選択したナノシートと同じ電荷を有するポリマーを選択するとよい。これにより、ナノシートが、引張応力が作用する前に、基板の凹凸構造の斜面に密着することを抑制できるので、ナノシートを効率的に切断できる。例えば、カチオン性の電荷を有するポリマーは、ポリ（ジアリルジメチルアンモニウムクロリド）（ＰＤＤＡ）、ポリエチレンイミン（ＰＥＩ）、ポリアリルアミン塩酸塩（ＰＡＨ）等である。中でも、ＰＤＤＡおよびＰＥＩは汎用性があるため、好ましい。アニオン性の電荷を有するポリマーは、ポリスチレンスルホン酸ナトリウム（ＰＳＳ）、ポリアクリル酸ナトリウム（ＰＡＡ）等である。中でも、ＰＳＳは汎用性があるため、好ましい。
【0059】
ステップＳ１３０において、図４を参照して説明したように、凹凸構造を有する基板上にナノシート分散液中の有機溶媒からなる液膜を介してナノシート単層膜を形成する手法であれば特に制限はないが、詳細には、基板上に有機溶媒からなる液膜を形成し、液膜表面に浮遊したナノシートを、有機溶媒の蒸発に伴い、凹凸構造の斜面に転写させ、ナノシート単層膜を形成するものである。このような手法として、好ましくは、スピンコート法またはラングミュア・ブロジェット（ＬＢ）法を採用できる。
【0060】
スピンコート法におけるナノシート分散液の滴下量、回転数、スピンコート時間は、選択したナノシートの種類、大きさ、濃度等によって変わるが、上述の濃度範囲であれば、例えば、５μＬ／ｃｍ２以上３０μＬ／ｃｍ２以下の範囲の滴下量、５００ｒｐｍ以上８０００ｒｐｍ以下の回転数、１分以上１５分以下の範囲のスピンコート時間などを採用できる。
【0061】
ＬＢ法における基板の静置時間、圧縮速度、表面圧力、引き上げ速度は、選択したナノシートの種類、大きさ、濃度等によって変わるが、上述の濃度範囲であれば、例えば、１０分以上６０分以下の範囲の静置時間、０．１ｍｍｓｅｃ－１以上１ｍｍｓｅｃ－１以下の圧縮速度、５ｍＮｍ－１以上２０ｍＮｍ－１以下の範囲の表面圧力、０．５ｍｍｓｅｃ－１以上５ｍｍｓｅｃ－１以下の引き上げ速度などを採用できる。
【0062】
このようにナノシート単層膜を形成するだけで、ナノシートは、その結晶軸方位に沿って切断されるが、ステップＳ１３０に続いて、ナノシート単層膜を乾燥してもよい。これにより、ナノシートの切断を促進できる。あるいは、ステップＳ１２０は、通常、室温（１０℃以上３５℃以下の温度範囲）、大気下で行うことが可能であるが、スピンコート法の際に基板を加熱してもよいし、ＬＢ法の際にトラフを加熱してもよい。
【0063】
このようにして切断されたナノシートは、結晶軸方位に沿ったエッジを有し、結晶構造を反映した矩形または三角形の形状を有する。どの辺も結晶軸方位に沿ったエッジを有するため、ナノシートの特性（例えば、強誘電性、触媒活性、クロミズム、強磁性等）をより高めることができるので、デバイスへ適用できる。
【0064】
このようなエッジは、好ましくは、［０１］方位および［１０］方位であり、切断後のナノシートの長手方向の長さは、好ましくは、５００ｎｍ以上５μｍ以下の範囲である。この範囲であればデバイスとしても使用できる。なお、エッジの方位は、高分解能電子顕微鏡観察や電子線回折によって測定できるが、簡易的には、用いたナノシートの結晶構造およびユニットセルから判断できる。例えば、用いたナノシートが酸化チタンであれば、ｃ軸方向に成長することから、ユニットセルの長手方向はｃ軸に平行な［０１］方位、それに直交する短手方向はａ軸に平行な［１０］方位と判断できる。また、切断後のナノシートの大きさは、上述したように、基板上のナノシートの走査型電子顕微鏡像から求められる。
【0065】
なお、本願明細書では、ナノシートが有機溶媒に分散したナノシート分散液を用いてナノシートの切断方法を詳述してきたが、有機溶媒からなる液膜を介して、ナノシートを凹凸構造の斜面に転写することによってナノシート単層膜を形成できれば、ナノシート分散液を用いなくてもよい。例えば、凹凸構造を有する基板上に有機溶媒を滴下することにより有機溶媒からなる液膜を形成し、次いで、化学的気相成長法（ＣＶＤ）によって別の基板上に作製したナノシートを液膜上に転写すれば、同様に、有機溶媒の蒸発に伴い、ナノシートを切断できる。
【0066】
次に、代表的なナノシートを用いて、上記（１）式を満たすｎＬについて調べた。代表的なナノシートとして、グラフェン、硫化モリブデン、酸化チタン、および、酸化ニオブを、基板として三角錐状の凹凸構造を有する酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）を、有機溶媒としてジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）を用いた。基板の主面と凹凸構造の斜面（側面）とのなす角θはθ＝ｔａｎ－１（０．４）であった。基板の表面自由エネルギーＧ２およびＤＭＳＯの表面自由エネルギーＧ３は、それぞれ、７４．７×１０－３Ｊ／ｍ２（接触角測定による算出値）および４３．５×１０－３Ｊ／ｍ２（Ｈ．Ｌａｗｒｅｎｃｅ Ｃｌｅｖｅｒら，Ｔｈｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，１９６３，６７，９１８）であった。
【0067】
グラフェン、硫化モリブデン、酸化チタン、および、酸化ニオブのユニットセルの形状、ユニットセルの一辺の長さＬ（ｍ）、結合エネルギーＥ（Ｊ／ｍｏｌ）、ユニットセルと同じ大きさのナノシートを仮定した場合に、ナノシートの水平面に垂直な結晶面を横切る化学結合の数ｘ（ｍｏｌ）、表面自由エネルギーＧ１（Ｊ／ｍ２）、ならびに、基板および有機溶媒の表面自由エネルギーＧ２およびＧ３を用いて、式（１）からナノシートの一辺の長さｎＬ（ｍ）を算出した。結果を表３に示す。
【表3】
【0068】
表３によれば、所定の凹凸構造を有する基板（ここではＩＴＯであり、θ＝ｔａｎ－１（０．４）≒２２°）および有機溶媒（ここではＤＭＳＯ）を用いた場合に、ナノシートをその結晶軸方位に沿って切断するためには、ナノシートの一辺の長さｎＬ（ｍ）に制限があり、その長さは、ナノシートの種類によって異なることが示された。
【0069】
次に、酸化チタンナノシートを用いて、接着エネルギーと切断に必要なエネルギーとの関係を調べた。ここでは、酸化チタンナノシートが有機溶媒（ＤＭＳＯ）を介してＩＴＯ基板に接着するものとする。
図７は、酸化チタンナノシートの切断に必要なエネルギーと接着エネルギーとの関係を示す図である。
図７は、酸化チタンナノシートの切断に必要なエネルギーと接着エネルギーとの関係を示す図である。
【0070】
図７には図２に示した酸化チタンナノシートのユニットセル（０．３８ｎｍ×０．３０ｎｍ）を再度示す。ここでは、酸化チタンナノシートのＴｉサイトの空孔は、すべて、Ｔｉ原子で占有されていると仮定する。ユニットセル内の［０１］軸を含む、ナノシートの水平面に垂直な格子面を横切るＴｉ－Ｏ結合の数は２となり、これは［０１］軸方向の長さあたりの密度６．６７ｎｍ－１に相当する。
【0071】
Ｔｉ－Ｏ結合の結合エネルギー（６７０ｋＪ／ｍｏｌ）を用いると、切断に必要なエネルギーは、ナノシートがユニットセルの相似形であることから、［０１］軸方向の長さあたりの密度（６．６７ｎｍ－１）に比例するため、図７に示すように、ナノシートの長さに対して線形に増加する。
【0072】
一方、ナノシートとＩＴＯ基板との接着エネルギーは、１４８ｍＪ／ｍ２となる。また、ナノシートとＤＭＳＯとの接着エネルギーは、１１３ｍＪ／ｍ２となる。これらの接着エネルギーの差（３５ｍＪ／ｍ２）のうち水平方向成分が引張応力として作用し、この引張応力はナノシートの面積に比例するため、図７に示すように、ナノシートの長さに対して二次関数的に増加する。
【0073】
図７によれば、ナノシートの短手方向の大きさが４６０×１０－９ｍ未満では、接着エネルギーが切断に必要なエネルギーを下回るため、ナノシートは［０１］軸方向に切断されないが、４６０×１０－９ｍを超えると、接着エネルギーが切断に必要なエネルギーを上回るため、ナノシートは［０１］軸方向に切断されることが分かった。
【0074】
次に具体的な実施例を用いて本発明を詳述するが、本発明がこれらの実施例に限定されないことに留意されたい。
【実施例0075】
［ナノシート］
１．大型の酸化チタンナノシート（Ｔｉ０．８７Ｏ２ ０．５２－）の調製（ＮＳ１と称する）
層状チタン酸化物（Ｋ０．８Ｔｉ１．７３Ｌｉ０．２７Ｏ４）を出発原料に、大型の酸化チタンナノシート（Ｔｉ０．８７Ｏ２ ０．５２－）を調製した。
１．大型の酸化チタンナノシート（Ｔｉ０．８７Ｏ２ ０．５２－）の調製（ＮＳ１と称する）
層状チタン酸化物（Ｋ０．８Ｔｉ１．７３Ｌｉ０．２７Ｏ４）を出発原料に、大型の酸化チタンナノシート（Ｔｉ０．８７Ｏ２ ０．５２－）を調製した。
【0076】
層状チタン酸化物（Ｋ０．８Ｔｉ１．７３Ｌｉ０．２７Ｏ４）は、固相合成法により合成した。ＴｉＯ２（Ｒａｒｅ Ｍｅｔａｌｌｉｃ社製、純度９９．９９％）、Ｋ２ＣＯ３（Ｒａｒｅ Ｍｅｔａｌｌｉｃ社製、純度９９．９９％）およびＬｉ２ＣＯ３（Ｒａｒｅ Ｍｅｔａｌｌｉｃ社製、純度９９．９９％）の原料粉末を、化学量論比ＴｉＯ２：Ｋ２ＣＯ３：Ｌｉ２ＣＯ３＝１：０．２３：０．０７８に基づいて秤量し、アルミナ乳鉢を用いて６０分間粉砕・混合した。なお、焼成の際に、アルカリ金属炭酸塩であるＫ２ＣＯ３の一部が蒸発するため、モル比で５％過剰に加えた。粉砕・混合した原料粉末を白金るつぼに入れ、９００℃、１時間電気炉で仮焼成した。その後、仮焼成した原料粉末をアルミナ乳鉢で再度３０分間粉砕・混合した。次いで、粉砕・混合した原料粉末を白金るつぼに入れ、１０００℃で２０時間焼成し、層状チタン酸化物Ｋ０．８Ｔｉ１．７３Ｌｉ０．２７Ｏ４を得た。
【0077】
得られた層状チタン酸化物（０．２ｇ）と塩酸水溶液（１ｍｏｌ／Ｌ、２００ｍＬ）とをビーカー中で撹拌、７２時間酸処理を行い、水素イオン交換体（Ｈ１．０７Ｔｉ１．７３Ｏ４・Ｈ２Ｏ）を得た。次いで、水素イオン交換体を、テトラブチルアンモニウムイオン（ＴＢＡ＋）／プロトン（Ｈ＋）の比が１になるように濃度を調整した水酸化テトラブチルアンモニウム水溶液に、４ｇ／Ｌの割合で混合し、室温にて２週間反応させて、組成式Ｔｉ０．８７Ｏ２
０．５２－で表される、厚さ約１．２ｎｍ、長さ５μｍ～１５μｍのナノシートが分散した乳白色のコロイド水溶液を作製した。酸化チタンナノシートを含有するコロイド水溶液（原液）の濃度は０．２５質量％であった。
【0078】
コロイド水溶液に遠心分離（１５００ｒｐｍ）を行い、未剥離の層状チタン酸化物や再積層したナノシートを除去し、上澄み液を回収し、再度遠心分離（１００００ｒｐｍ）を行った。沈殿物をジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）に分散させ、ナノシート分散液とした。なお、ナノシート分散液中のナノシートの濃度は、分散液の吸光度、ＤＭＳＯに分散したナノシートのモル吸収係数、および、ＤＭＳＯの密度（ρ＝１．１０ｇｃｍ－３）を用いて算出した。スピンコート法によりナノシート単層膜を、凹凸構造を有しない基板上に形成させ、ナノシートの長さおよび厚さを走査型電子顕微鏡および走査型プローブ顕微鏡によって評価した。
【0079】
結果は以下の通りであった。
長手方向の長さ：平均９．０μｍ、標準偏差３．８μｍ、最大値２０．１μｍ、最小値２．０μｍ
短手方向の長さ：平均４．９μｍ、標準偏差２．４μｍ、最大値１６．８μｍ、最小値１．２μｍ
厚さ：１．２ｎｍ
アスペクト比（平均長さ／厚さ）：長手方向が７５００、短手方向が４０８０
長手方向の長さ：平均９．０μｍ、標準偏差３．８μｍ、最大値２０．１μｍ、最小値２．０μｍ
短手方向の長さ：平均４．９μｍ、標準偏差２．４μｍ、最大値１６．８μｍ、最小値１．２μｍ
厚さ：１．２ｎｍ
アスペクト比（平均長さ／厚さ）：長手方向が７５００、短手方向が４０８０
【0080】
２．小型の酸化チタンナノシート（Ｔｉ０．８７Ｏ２
０．５２－）の調製（ＮＳ２と称する）
層状チタン酸化物（Ｋ０．８Ｔｉ１．７３Ｌｉ０．２７Ｏ４）を出発原料に、小型の酸化チタンナノシート（Ｔｉ０．８７Ｏ２ ０．５２－）を調製した。ＮＳ１の調製において、水酸化テトラブチルアンモニウム水溶液と反応させる際に１８０ｒｐｍで横方向に振盪した以外は、同様であるため説明を省略する。このようにして、厚さ約１．２ｎｍ、長さ２００ｎｍ～８００ｎｍのナノシートが分散した乳白色のコロイド水溶液を作製した。酸化チタンナノシートを含有するコロイド水溶液（原液）の濃度は０．３１質量％であった。コロイド水溶液に遠心分離（１５０００ｒｐｍ）を行い、沈殿物をＤＭＳＯに分散させ、ナノシート分散液を得た。同様に、ナノシートの大きさを評価したところ、結果は以下の通りであった。
層状チタン酸化物（Ｋ０．８Ｔｉ１．７３Ｌｉ０．２７Ｏ４）を出発原料に、小型の酸化チタンナノシート（Ｔｉ０．８７Ｏ２ ０．５２－）を調製した。ＮＳ１の調製において、水酸化テトラブチルアンモニウム水溶液と反応させる際に１８０ｒｐｍで横方向に振盪した以外は、同様であるため説明を省略する。このようにして、厚さ約１．２ｎｍ、長さ２００ｎｍ～８００ｎｍのナノシートが分散した乳白色のコロイド水溶液を作製した。酸化チタンナノシートを含有するコロイド水溶液（原液）の濃度は０．３１質量％であった。コロイド水溶液に遠心分離（１５０００ｒｐｍ）を行い、沈殿物をＤＭＳＯに分散させ、ナノシート分散液を得た。同様に、ナノシートの大きさを評価したところ、結果は以下の通りであった。
【0081】
１辺の長さ：平均４３９ｎｍ、標準偏差１４８ｎｍ、最大値９４０ｎｍ、最小値１４５ｎｍ（長手方向の長さと短手方向の長さとの比が１に近いため、ナノシートの面積を測り、同じ面積の正方形の１辺の長さをナノシートの長さとした。）
厚さ：１．２ｎｍ
アスペクト比（平均長さ／厚さ）：３６６
厚さ：１．２ｎｍ
アスペクト比（平均長さ／厚さ）：３６６
【0082】
３．ペロブスカイトナノシート（Ｃａ２Ｎｂ３Ｏ１０
－）の調製（ＮＳ３と称する）
層状ペロブスカイト酸化物（ＫＣａ２Ｎｂ３Ｏ１０）を出発原料に、ペロブスカイトナノシート（Ｃａ２Ｎｂ３Ｏ１０ －）を調製した。
層状ペロブスカイト酸化物（ＫＣａ２Ｎｂ３Ｏ１０）を出発原料に、ペロブスカイトナノシート（Ｃａ２Ｎｂ３Ｏ１０ －）を調製した。
【0083】
層状ペロブスカイト酸化物（ＫＣａ２Ｎｂ３Ｏ１０）は、固相合成法により合成した。Ｋ２ＣＯ３（Ｒａｒｅ Ｍｅｔａｌｌｉｃ社製、純度９９．９９％）、ＣａＣＯ３（Ｒａｒｅ Ｍｅｔａｌｌｉｃ社製、純度９９．９９％）およびＮｂ２Ｏ５（Ｒａｒｅ Ｍｅｔａｌｌｉｃ社製、純度９９．９９％）の原料粉末を、化学量論比Ｋ２ＣＯ３：ＣａＣＯ３：Ｎｂ２Ｏ５＝１：４：３に基づいて秤量し、アルミナ乳鉢を用いて６０分間粉砕・混合した。なお、焼成の際に、アルカリ金属炭酸塩であるＫ２ＣＯ３の一部が蒸発するため、モル比で１０％過剰に加えた。粉砕・混合した原料粉末を白金るつぼに入れ、９００℃、１時間電気炉で仮焼成後、１２００℃で１２時間焼成し、層状ペロブスカイト酸化物ＫＣａ２Ｎｂ３Ｏ１０を得た。
【0084】
得られた層状ペロブスカイト酸化物（５ｇ）と硝酸水溶液（５ｍｏｌ／Ｌ、２００ｍＬ）とをビーカー中で撹拌し、７２時間酸処理を行い、水素イオン交換体（ＨＣａ２Ｎｂ３Ｏ１０・１．５Ｈ２Ｏ）を得た。次いで、水素イオン交換体（０．４ｇ）を、ＴＢＡ＋／Ｈ＋の比が１になるように濃度を調整した水酸化テトラブチルアンモニウム水溶液（１００ｍＬ）に混合し、室温にて２週間反応させて、組成式Ｃａ２Ｎｂ３Ｏ１０
－で表される、厚さ約２．２ｎｍ、長さ１μｍ～４μｍのナノシートが分散した乳白色のコロイド水溶液を作製した。遠心分離（３０００ｒｐｍ）により未剥離物を除去したあとの、ペロブスカイトナノシートを含有するコロイド水溶液（原液）の濃度は０．２６質量％であった。コロイド水溶液に遠心分離（１５０００ｒｐｍ）を行い、沈殿物をＤＭＳＯに分散させ、ナノシート分散液を得た。同様に、ナノシートの大きさを評価したところ、結果は以下の通りであった。
【0085】
１辺の長さ：平均１．９μｍ、標準偏差０．７μｍ、最大値４．５μｍ、最小値０．５μｍ（長手方向の長さと短手方向の長さとの比が１に近いため、ナノシートの面積を測り、同じ面積の正方形の１辺の長さをナノシートの長さとした。）
厚さ：２．２ｎｍ
アスペクト比（平均長さ／厚さ）：８６４
厚さ：２．２ｎｍ
アスペクト比（平均長さ／厚さ）：８６４
【0086】
［基板］
基板１～基板４として、それぞれ、未研磨ＩＴＯ（２００ｎｍ厚、表面粗さＲａ＝５．０ｎｍ）付ガラス板（フルウチ化学株式会社製）、研磨済みＩＴＯ（１８０ｎｍ厚、表面粗さＲａ＝０．３８ｎｍ）付ガラス板（株式会社倉元製作所製）、研磨済みＳｉ（１００）（表面粗さＲａ＝０．０６０ｎｍ）ウェハー（株式会社ＳＵＭＣＯ製）、および、未研磨ＦＴＯ（１μｍ厚、表面粗さＲａ＝２７ｎｍ）付ガラス板（ＡＧＣ株式会社製）を用いた。いずれも３０ｍｍ×３０ｍｍの大きさであった。カンチレバー（ＳＩ－ＤＦ２０）を備えた走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ、株式会社日立ハイテク製、Ｅ－ｓｗｅｅｐ）を用いて、これらの基板表面をタッピングモードにより観察し、ＡＦＭ像を得、表面粗さを測定した。結果を図８～図１０に示す。
基板１～基板４として、それぞれ、未研磨ＩＴＯ（２００ｎｍ厚、表面粗さＲａ＝５．０ｎｍ）付ガラス板（フルウチ化学株式会社製）、研磨済みＩＴＯ（１８０ｎｍ厚、表面粗さＲａ＝０．３８ｎｍ）付ガラス板（株式会社倉元製作所製）、研磨済みＳｉ（１００）（表面粗さＲａ＝０．０６０ｎｍ）ウェハー（株式会社ＳＵＭＣＯ製）、および、未研磨ＦＴＯ（１μｍ厚、表面粗さＲａ＝２７ｎｍ）付ガラス板（ＡＧＣ株式会社製）を用いた。いずれも３０ｍｍ×３０ｍｍの大きさであった。カンチレバー（ＳＩ－ＤＦ２０）を備えた走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ、株式会社日立ハイテク製、Ｅ－ｓｗｅｅｐ）を用いて、これらの基板表面をタッピングモードにより観察し、ＡＦＭ像を得、表面粗さを測定した。結果を図８～図１０に示す。
【0087】
【0088】
図８および図９には、基板１および基板２のＡＦＭ像をグレースケールで示すが、未研磨の基板１は、最大２０ｎｍの高低差を有する凹凸構造を有し、研磨済みの基板２は、わずか１ｎｍ程度の高低差にとどまる平坦な表面を有した。図示しないが、基板４の高低差は１００ｎｍ程度であるものの、基板１と同様のＡＦＭ像を示し、基板３は基板２と同様のＡＦＭ像を示した。
【0089】
図１０の基板１の断面プロファイルから、基板１の凹凸構造について詳細に調べた。断面プロファイルは、高さ２０ｎｍの山の頂が１００ｎｍ間隔（ｄ）で並んでいるとみなすことができるので、基板１の主面と山の斜面とのなす角は、θ＝ｔａｎ－１（２０／５０）＝ｔａｎ－１（０．４）と求められる。図示しないが、基板４は、高さ１００ｎｍの山の頂が５００ｎｍ間隔（ｄ）で並んでいるとみなすことができたので、基板４の主面と山の斜面とのなす角は、θ＝ｔａｎ－１（１００／２５０）＝ｔａｎ－１（０．４）と求められる。
【0090】
図示しないが、ＩＴＯは、立方晶系の結晶構造を有し、ガラス板表面に三角錐の凹凸構造を形成することを走査型電子顕微鏡により確認した。このことから凹凸構造は三角錐状であった。ＦＴＯは、正方晶系の結晶構造を有し、ガラス板表面に三角錐の凹凸構造を形成した。以上の結果を表４にまとめて示す。
【0091】
【表4】
【0092】
［例１～例６］
例１～例６では、ナノシート分散液を用い、基板上にナノシート単層膜を形成した。詳細には、ＮＳ１～ＮＳ３のナノシートをＤＭＳＯに分散させたナノシート分散液を調製した（図１のステップＳ１１０）。次いで、基板を準備した（図１のステップＳ１２０）。上述の基板をアセトンで洗浄し、プラズマイオンボンバーダー（株式会社真空デバイス製、ＰＩＢ－２０）を用いて、酸素プラズマ処理し、表面を親水性にした。親水化処理された清浄基板をスピンコーター（ミカサ株式会社製、ＭＳ－Ｂ１００）のサンプルホルダに設置し、基板表面にナノシート分散液を滴下し、ナノシート単層膜を形成した（図１のステップＳ１３０）。ナノシート分散液中のナノシートの濃度、および、スピンコート条件を簡単のため表５にまとめて示す。このようにして得られた例１～例６の試料を、それぞれ、ＮＳ１／基板１、ＮＳ１／基板２、ＮＳ１／基板３、ＮＳ１／基板４、ＮＳ２／基板１、および、ＮＳ３／基板４と称する場合がある。
例１～例６では、ナノシート分散液を用い、基板上にナノシート単層膜を形成した。詳細には、ＮＳ１～ＮＳ３のナノシートをＤＭＳＯに分散させたナノシート分散液を調製した（図１のステップＳ１１０）。次いで、基板を準備した（図１のステップＳ１２０）。上述の基板をアセトンで洗浄し、プラズマイオンボンバーダー（株式会社真空デバイス製、ＰＩＢ－２０）を用いて、酸素プラズマ処理し、表面を親水性にした。親水化処理された清浄基板をスピンコーター（ミカサ株式会社製、ＭＳ－Ｂ１００）のサンプルホルダに設置し、基板表面にナノシート分散液を滴下し、ナノシート単層膜を形成した（図１のステップＳ１３０）。ナノシート分散液中のナノシートの濃度、および、スピンコート条件を簡単のため表５にまとめて示す。このようにして得られた例１～例６の試料を、それぞれ、ＮＳ１／基板１、ＮＳ１／基板２、ＮＳ１／基板３、ＮＳ１／基板４、ＮＳ２／基板１、および、ＮＳ３／基板４と称する場合がある。
【0093】
【表5】
【0094】
例１～例６の試料の表面を、ＳＰＭを用いて観察した。得られたＡＦＭ像および表面形状の断面を図１１～図１３に示す。
図１１は、例１のＮＳ１／基板１のＡＦＭ像を示す図である。
図１２は、例２のＮＳ１／基板２のＡＦＭ像を示す図である。
図１３は、例１のＮＳ１／基板１および例２のＮＳ１／基板２の表面形状の断面を示す図である。
図１１は、例１のＮＳ１／基板１のＡＦＭ像を示す図である。
図１２は、例２のＮＳ１／基板２のＡＦＭ像を示す図である。
図１３は、例１のＮＳ１／基板１および例２のＮＳ１／基板２の表面形状の断面を示す図である。
【0095】
図１１および図１２のＡＦＭ像は、それぞれ、図８および図９のそれと類似していた。図１２の細部を見ると矩形のナノシートが観察され、スピンコート法によりナノシートが稠密に配列したナノシート単層膜が得られたことが示唆される。
【0096】
図１３の例１および例２の試料の断面プロファイルは、それぞれ、図１０の基板１および基板２のそれと類似していた。これらから、スピンコート法によって形成されたナノシート単層膜は、基板の形状に追随することが分かった。図示しないが、例３～例４の試料のＡＦＭ像および断面プロファイルも、基板の形状を反映したものであった。
【0097】
【0098】
図１４は、例１のＮＳ１／基板１のＳＥＭ像を示す図である。
図１５は、例２のＮＳ１／基板２のＳＥＭ像を示す図である。
図１６は、例５のＮＳ２／基板１のＳＥＭ像および基板上のナノシートの長さ分布を示す図である。
図１５は、例２のＮＳ１／基板２のＳＥＭ像を示す図である。
図１６は、例５のＮＳ２／基板１のＳＥＭ像および基板上のナノシートの長さ分布を示す図である。
【0099】
【0100】
注目すべきは、切断前のナノシートの４辺のエッジそれぞれに対して垂直な方向にクラックが発生し、切断後のナノシートはいずれも矩形の形状を維持した。層状酸化チタンは、ｃ軸方向にもっとも大きく成長することが分かっているため、ナノシートの長手方向はｃ軸に平行な方向（［０１］方位）となり、短手方向はａ軸に平行な方向（［１０］方位）となる。また、切断後のナノシートの長手方向の長さは、平均１０００ｎｍであった。
【0101】
図示しないが、例４のＮＳ１／基板４および例６のＮＳ３／基板４のＳＥＭ像も、図１４と同様であり、ナノシートが切断された。切断後のナノシートは、いずれも、矩形の形状を有し、そのエッジは［０１］方位および［１０］方位であり、長手方向の長さは、平均１０００ｎｍであった。
【0102】
一方、図１５によれば、凹凸構造を有しない基板を用いた場合には、ナノシートは切断されなかった。例３のＮＳ１／基板３においても、同様にナノシートは切断されなかった。
【0103】
図１６の基板上のナノシートの長さ分布には、凹凸構造を有しない基板（基板２）に小型の酸化チタンナノシート（ＮＳ２）をスピンコートした際の結果も併せて示す。例２と同様に、基板２上ではナノシートは切断されず、分散液中のナノシートの長さ分布に相当する。一方、凹凸構造を有する基板上では、ナノシートの一辺の長さの平均（４３９ｎｍ）が、切断できる長さの閾値（４６０ｎｍ）を下回る場合、一部のナノシートは切断されないことが分かった。凹凸構造を有する基板への吸着により、一辺の長さが４００～５００ｎｍの範囲およびそれ以上では、ナノシートの存在割合が減少したことから、ナノシートが切断されたことが示唆された。この長さ範囲が、理論計算により求められた、切断できる長さの閾値と一致することから、上記式（１）および式（２）を満たすことが有効であることが示された。以上の結果を表６にまとめて示す。
【0104】
【表6】
【0105】
また、例１、例４および例６は、式（１）および式（２）を満たすが、例５は、一部のナノシートが式（１）を満たさないことが分かった。以上より、式（１）および式（２）を満たすナノシート、有機溶媒および基板を用いて、ナノシートが有機溶媒に分散したナノシート分散液を調製し、凹凸構造を有する基板を準備し、基板上にナノシートからなるナノシート単層膜を形成することにより、ナノシートを結晶軸方位に沿って切断できることが示された。
【0106】
［例７］
例７では、アニオン性のポリマーで被覆した基板１を用いた以外は、例１と同様であった。アニオン性のポリマーは、ポリスチレンスルホン酸ナトリウム（ＰＳＳ）であり、ＰＳＳ水溶液に親水性処理した基板１を浸漬させ、ポリマー被覆した。このようにして得られた例７のＮＳ１／ポリマー／基板１のＳＥＭ像を観察したところ、図１４と同様の様態が見られ、ナノシートが切断されることが分かった。
例７では、アニオン性のポリマーで被覆した基板１を用いた以外は、例１と同様であった。アニオン性のポリマーは、ポリスチレンスルホン酸ナトリウム（ＰＳＳ）であり、ＰＳＳ水溶液に親水性処理した基板１を浸漬させ、ポリマー被覆した。このようにして得られた例７のＮＳ１／ポリマー／基板１のＳＥＭ像を観察したところ、図１４と同様の様態が見られ、ナノシートが切断されることが分かった。
【産業上の利用可能性】
【0107】
本発明のナノシートを結晶軸方位に沿って切断する方法は、基板サイズのスケールで一度に多くのナノシートの二次加工が可能である。結晶軸方位に沿ったナノシートの切断が可能になることで、より精密なデバイスの作製やナノシートエッジに起因する物性研究が可能になり、ナノシートの新たな応用研究が展開されることが期待できる。
【符号の説明】
【0108】
２１０ ナノシート
２２０ 無機層状物質
２３０ ユニットセル
３００ 基板
３１０ 凹凸構造
３２０ 主面
４１０ 有機溶媒
４２０ ナノシート単層膜
２２０ 無機層状物質
２３０ ユニットセル
３００ 基板
３１０ 凹凸構造
３２０ 主面
４１０ 有機溶媒
４２０ ナノシート単層膜
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
