超音波剥離による酸化ルテニウムナノシート

酸化ルテニウム単層ナノシートは、プローブ型の超音波処理によって効率的に製造できます。超音波によるナノシート剥離の主な利点は、プロセス効率、高収率、短い処理時間、簡便で安全な操作です。超音波処理は、その高い効率と生成されるナノシートの優れた品質により、グラフェンやボロフェンを含む多くのナノシートの工業生産に使用されています。

酸化ルテニウムナノシートの超音波剥離

酸化ルテニウム（RuO2、ルテニウム酸塩とも呼ばれます）ナノシートは、高い導電率、低い抵抗率、高い安定性、高い仕事関数、ドライエッチングへの良好な適性など、独自の特性を備えています。このため、酸化ルテニウムはメモリデバイスやトランジスタの電極に適した材料です。

a) 1分間、b) 7分間の超音波処理によって剥離したRuO2ナノシートのSEM画像。
（研究および画像：©Kim et al., 2021）

事例研究：プローブ型超音波処理装置による高効率なRuO2剥離

Kim et al. (2021) は、研究において酸化ルテニウム単層ナノシートの剥離が大幅に改善されることを示しました。研究者は超音波処理を用いて、薄いRuO2金属酸化物シートを高収率で生成しました。イオン交換反応による従来のインターカレーションプロセスは遅く、分子の大きさと反応に必要な化学エネルギーのため、生成される二次元（2D）ナノシートの量は限られています。プロセスを速め、生成される酸化ルテニウムナノシートの量を増やすため、研究者はRuO2酸化物の溶液に超音波エネルギーを加え、剥離プロセスを強化しました。その結果、わずか15分間の超音波処理後にシートの量が50%を超えて増加し、同時にシートの面内サイズが小さくなることがわかりました。密度汎関数理論による計算は、RuO2層を面内サイズの小さい断片に分割することで、剥離の活性化エネルギーが大幅に低下することを示しました。このサイズ縮小は、超音波処理によって金属酸化物の層がより容易に分離されるために起こります。この研究は、超音波の使用が酸化ルテニウム単層ナノシートを製造するための優れた簡便な方法であることを示しています。これは、超音波支援によるイオン交換プロセスが、2D金属酸化物ナノシートを製造するための簡便で効率的な手法となることを示しています。超音波剥離の利点は、グラフェンやボロフェンを含む、ゼン（xenes）とも呼ばれる2Dナノ材料の製造技術として、超音波による剥離と層間剥離が広く使用されている理由を説明しています。

超音波剥離は、酸化ルテニウム2Dナノシートの大規模生産における高効率化と高速化を促進します
（研究および画像：©Kim et al., 2021）。

超音波支援による酸化ルテニウム剥離のプロトコル

以下のプロトコルは、Kim et al. (2021) が記述した超音波支援によるイオン交換反応プロセスを用いてRuO2ナノシートを合成するための、段階的な手順です。
 

1. RuO2とインターカラントを溶媒（2-propanol）に溶解し、最大3日間撹拌して溶液を調製します。
2. RuO2ナノシートの収率を50%を超えて増加させ、RuO2層を均一で小さい面内サイズに分割するため、プローブ型超音波処理装置（例：ソノトロードBS4d22を装備したプローブ型超音波処理装置UP1000hdT（1000W, 20kHz））を使用して、溶液に15分間超音波エネルギーを加えます。
3. 密度汎関数理論による計算を用いて、剥離の活性化エネルギーが大幅に低下していることを確認します。
4. 生成したRuO2ナノシートを回収します。これらはさまざまな用途に使用できます。

 
RuO2ナノシートの超音波剥離に用いるこのプロトコルの簡便さは、超音波によるナノシート製造の利点を示しています。超音波処理は、厚さ約1 nmの高品質な単層RuO2ナノシートを製造するための、非常に効率的な技術です。また、このプロトコルはスケールアップが可能で再現性があることも確認されており、電子機器、触媒、エネルギー貯蔵のさまざまな用途向けにRuO2ナノシートを大規模生産するのに適しています。
 
SnOxナノフレークのソノケミカル合成について詳しくお読みください！
 

水中のグラファイト薄片の超音波機械的剥離を示す高速連続画像（a–f）。剥離には、 3-mmソノトロードを備えた200W超音波処理装置UP200Sを使用しています。 矢印は分割（剥離）が起こる位置を示しており、キャビテーション気泡がその裂け目に侵入しています。
（研究および画像：© Tyurnina et al. 2020

RuO2剥離用の高性能超音波処理装置

高品質な酸化ルテニウムナノシートやその他のゼン（xenes）を製造するには、信頼性の高い高性能超音波装置が必要です。振幅、圧力、温度は、再現性と製品の一貫性にとって極めて重要な必須パラメーターです。Hielscher Ultrasonicsの処理装置は、強力で精密に制御できるシステムであり、プロセスパラメーターの正確な設定と、高出力超音波の連続出力を可能にします。Hielscherの産業用超音波処理装置は、非常に高い振幅を実現できます。最大200µmの振幅で、24時間・週7日の連続運転を容易に行えます。さらに高い振幅に対応するため、カスタマイズされた超音波ソノトロードも用意されています。Hielscherの超音波装置の堅牢性により、高負荷条件や厳しい環境でも24時間・週7日の運転が可能です。
お客様には、Hielscher Ultrasonicsのシステムの卓越した堅牢性と信頼性にご満足いただいています。高負荷用途（例：ナノ材料の大規模処理）や厳しい環境への導入、そして24時間・週7日の運転により、効率的で経済的な処理を実現します。超音波によるプロセス強化は処理時間を短縮し、より高い品質、より高い収率、革新的な製品といった、より優れた結果をもたらします。

設計、製造、コンサルティング – ドイツ製の品質

Hielscherの超音波処理装置は、最高の品質と設計基準で広く知られています。堅牢性と操作の容易さにより、当社の超音波処理装置を産業設備に円滑に組み込むことができます。Hielscherの超音波処理装置は、過酷な条件や厳しい環境にも容易に対応します。

Hielscher UltrasonicsはISO認証を取得した企業であり、最先端技術と使いやすさを備えた高性能超音波処理装置に特に重点を置いています。もちろん、Hielscherの超音波処理装置はCEに適合し、UL、CSA、RoHsの要件を満たしています。

以下の表は、当社の超音波処理装置のおおよその処理能力の目安を示しています。