高品質半導体カーボンナノチューブアレイ作製技術の開発と高集積回路への応用

• Project/Area Number: 15J07857
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Thermal engineering
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 大塚 慶吾 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2015-04-24 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥2,800,000 (Direct Cost: ¥2,800,000); Fiscal Year 2017: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2016: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2015: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
• Keywords: カーボンナノチューブ / 電界効果トランジスタ / 化学気相成長法 / 同位体標識 / 精製処理 / ナノスケール燃焼 / 単層カーボンナノチューブ / 全長燃焼

Outline of Annual Research Achievements

カーボンナノチューブ（CNT）をトランジスタなどの電子デバイス中の半導体材料として応用することで、従来の材料と比較して高速・低消費電力の実現したり、透明性・柔軟性などの新しい機能を付加したりすることが期待されている。CNTのポテンシャルを生かすには、電子構造が異なる２つのタイプ（金属型、半導体型）のCNTのうち、半導体型のもののみが高密度に並んだアレイ構造を用意する必要がある。前年度までに有機薄膜と水蒸気によってCNTの燃焼が大きく促進されることを見出し，純度が極めて100%に近い半導体型CNTのアレイ構造を得ることに成功した。そこから多数のトランジスタを作製し、それらの特性が従来手法と比較しても優れていることを確認した。しかし、この手法によって作製されたトランジスタの性能は理論上実現可能なレベルからは大きく見劣りしていた。化学気相成長法による合成段階で得られたCNTの密度や長さが小さく、さらには金属型不純物の初期割合が非常に高かった（~33%）ためであり、現状では合成段階がボトルネックとなっている。そこで当該年度は、1本ずつのCNTの成長機構を改めて詳細に調べることによって、将来的に密度や直径などの均一性を高め、初期の金属型割合を下げることを目的として研究を行った。単結晶基板上で得られるCNTの配向形態を生かしたうえで、合成時に炭素同位体標識を特定のパターンでCNTに組み込むことにより、多数の長尺孤立CNTについての成長過程を合成後に追跡することができるようになった。従来観察が困難であった1本ずつのCNTの成長速度、成長待機時間、成長寿命などを詳細に調べられるようになり、さらなる合成制御の研究を促進するものと期待している。この研究成果について、国内外で学会発表を行うとともに、論文が国際誌に出版された。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Fabrication, characterization, and high temperature surface enhanced Raman spectroscopic performance of SiO2 coated silver particles (2018)
  • Author(s): Ming Liu, Rong Xiang, Yaerim Lee, Keigo Otsuka, Ya-Lun Ho, Taiki Inoue, Shohei Chiashi, Jean-Jacques Delaunay, Shigeo Maruyama
  • Journal Title: Nanoscale Volume: 10 Issue: 12 Pages: 5449-5456
  • DOI: 10.1039/c7nr08631h
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Digital Isotope Coding to Trace the Growth Process of Individual Single-Walled Carbon Nanotubes (2018)
  • Author(s): Keigo Otsuka, Shun Yamamoto, Taiki Inoue, Bunsho Koyano, Hiroyuki Ukai, Ryo Yoshikawa, Rong Xiang, Shohei Chiashi, Shigeo Maruyama
  • Journal Title: ACS Nano Volume: 印刷中 Issue: 4 Pages: 3994-4001
  • DOI: 10.1021/acsnano.8b01630
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Water-assisted self-sustained burning of metallic single-walled carbon nanotubes for scalable transistor fabrication (2017)
  • Author(s): K. Otsuka, T. Inoue, Y. Shimomura, S. Chiashi, S. Maruyama
  • Journal Title: Nano Research Volume: 10 Issue: 9 Pages: 3248-3260
  • DOI: 10.1007/s12274-017-1648-6
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nanoscale Characterization of Individual Horizontally Aligned Single-Walled Carbon Nanotubes (2017)
  • Author(s): Gergely Nemeth, Daniel Datz, Hajnalka Maria Tohati, Aron Pekker, Keigo Otsuka, Taiki Inoue, Shigeo Maruyama, Katalin Kamaras
  • Journal Title: physica status solidi (b) Volume: 254 Issue: 11 Pages: 1700433-1700433
  • DOI: 10.1002/pssb.201700433
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] On-Chip Sorting of Long Semiconducting Carbon Nanotubes for Multiple Transistors along an Identical Array (2017)
  • Author(s): Keigo Otsuka, Taiki Inoue, Etsuo Maeda, Reo Kometani, Shohei Chiashi, Shigeo Maruyama
  • Journal Title: ACS Nano Volume: 11 Issue: 11 Pages: 11497-11504
  • DOI: 10.1021/acsnano.7b06282
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Selective Synthesis of Large Diameter, Highly Conductive and High Density Single-Walled Carbon Nanotubes by Thiophene-Assisted Chemical Vapor Deposition Method on Transparent Substrates (2016)
  • Author(s): J. Li, K. Otsuka, X. Zhang, S. Maruyama, J. Liu
  • Journal Title: Nanoscale Volume: 8 Issue: 29 Pages: 14156-14162
  • DOI: 10.1039/c6nr03642b
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Field emission and anode etching during formation of length-controlled nanogaps in electrical breakdown of horizontally aligned single-walled carbon nanotubes (2016)
  • Author(s): K. Otsuka, T. Inoue, Y. Shimomura, S. Chiashi, S. Maruyama
  • Journal Title: Nanoscale Volume: 8 Issue: 36 Pages: 16363-16370
  • DOI: 10.1039/c6nr05449h
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Tracing growth processes of individual single-walled carbon nanotubes by digital isotope coding (2018)
  • Author(s): 大塚慶吾、山元隼、井ノ上泰輝、項栄、千足昇平、丸山茂夫
  • Organizer: 第54回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [Presentation] 同位体ラベルによる個々のCNTの成長過程追跡 (2018)
  • Author(s): 山元隼、大塚慶吾、井ノ上泰輝、項栄、千足昇平、丸山茂夫
  • Organizer: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Tracing growth process of horizontal arrays of single-walled carbon nanotubes by digital isotope coding (2018)
  • Author(s): Keigo Otuska, Shun Yamamoto, Taiki Inoue, Rong Xiang, Shohei Chiashi, Shigeo Maruyama
  • Organizer: International Winterschool on Electronic Properties of Novel Materials 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 7 金属性カーボンナノチューブ全長燃焼後の純半導体 性アレイを用いた複数のトランジスタ作製 (2017)
  • Author(s): 大塚慶吾，井ノ上泰輝，千足昇平，丸山茂夫
  • Organizer: 第54回日本伝熱シンポジウム
  • Place of Presentation: 大宮ソニックシティ，埼玉県，さいたま市
  • Year and Date: 2017-05-24
• [Presentation] Selective burning of metallic single-walled carbon nanotubes for integration of transistors (2017)
  • Author(s): K. Otsuka, T. Inoue, S. Chiashi, S. Mauryama
  • Organizer: APS March Meeting 2017
  • Place of Presentation: Ernest Morial Convention Center, Lousiana, New Orleans
  • Year and Date: 2017-03-13
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Fabrication of multiple transistors from semiconducting single-walled carbon nanotube arrays after water-assisted burning of metallic tubes (2017)
  • Author(s): 大塚慶吾，井ノ上泰輝，千足昇平，丸山茂夫
  • Organizer: 第52回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
  • Place of Presentation: 伊藤国際学術研究センター，東京都，文京区
  • Year and Date: 2017-03-01
• [Presentation] 金属性カーボンナノチューブ全長燃焼後の純半導体アレイを用いた複数のトランジスタ作製 (2017)
  • Author(s): 大塚慶吾、井ノ上泰輝、千足昇平、丸山茂夫
  • Organizer: 第54回日本伝熱シンポジウム
• [Presentation] On-chip purification of semiconducting carbon nanotube arrays for high-performance transistors (2017)
  • Author(s): 大塚慶吾、井ノ上泰輝、千足昇平、丸山茂夫
  • Organizer: 第53回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [Presentation] 電圧印加による水平配向単層カーボンナノチューブギャップの一方向エッチング (2016)
  • Author(s): 大塚慶吾，井ノ上泰輝，千足昇平，丸山茂夫
  • Organizer: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ，新潟県，新潟市
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] One-way burning of single-walled carbon nanotubes from site-controlled nanogaps for full-length removal of metallic nanotubes (2016)
  • Author(s): K. Otsuka, T. Inoue, S. Chiashi, S. Mauryama
  • Organizer: NT16:The Seventeenth International Conference on the Science and Application of Nanotubes and Low-Dimensional Materials
  • Place of Presentation: University of Vienna, Austria, Vienna
  • Year and Date: 2016-08-07
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 金属単層カーボンナノチューブ選択除去と電界放出による一方向燃焼 (2016)
  • Author(s): 大塚慶吾，井ノ上泰輝，千足昇平，丸山茂夫
  • Organizer: 第53回日本伝熱シンポジウム
  • Place of Presentation: グランキューブ大阪，大阪府，大阪市
  • Year and Date: 2016-05-24
• [Presentation] 金属単層カーボンナノチューブ選択除去と電界放出による一方向燃焼 (2016)
  • Author(s): 大塚慶吾，井ノ上泰輝，千足昇平，丸山茂夫
  • Organizer: 第53回日本伝熱シンポジウム
  • Place of Presentation: 大阪府立国際会議場，大阪府，大阪市
  • Year and Date: 2016-05-24
• [Presentation] 水蒸気およびポリマー援用燃焼による金属単層カーボンナノチューブの長尺除去 (2016)
  • Author(s): 井ノ上泰輝，大塚慶吾，千足昇平，丸山茂夫
  • Organizer: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東京工業大学，東京都，目黒区
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] Voltage-driven physical gap extension of single-walled carbon nanotubes after electrical breakdown (2016)
  • Author(s): K. Otsuka, T. Inoue, S. Chiashi, S. Mauryama
  • Organizer: Forth Carbon Nanotube Thin Film Electronics and Applications Satellite (CNTFA16)
  • Place of Presentation: University of Vienna, Austria, Vienna
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Water-assisted burning of metallic single-walled carbon nanotubes triggered by Joule heating or field-emission electron (2015)
  • Author(s): 大塚慶吾，下村勇貴，井ノ上泰輝，千足昇平，丸山茂夫
  • Organizer: 第49回フラーレン・ナノチューブ･グラフェン総合シンポジウム
  • Place of Presentation: 北九州国際会議場，福岡県，北九州市
  • Year and Date: 2015-09-07
• [Presentation] Synthesis and characterization of SWNTs from open-end nanotube edges (2015)
  • Author(s): Shohei Chiasi, Hiroki Takezaki, Keigo Otsuka, Taiki Inoue, Shigeo Maruyama
  • Organizer: NT15:The Sixteenth International Conference on the Science and Application of Nanotubes
  • Place of Presentation: 名古屋大学，愛知県，名古屋市
  • Year and Date: 2015-06-29
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Electrical burning of metallic single-walled carbon nanotubes in full length assisted by water vapor exposure and polymer film coating (2015)
  • Author(s): Keigo Otsuka, Yuki Shimomura, Taiki Inoue, Shohei Chiashi, Shigeo Maruyama
  • Organizer: NT15:The Sixteenth International Conference on the Science and Application of Nanotubes
  • Place of Presentation: 名古屋大学，愛知県，名古屋市
  • Year and Date: 2015-06-29
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Full-length re-burning of anode single-walled carbon nanotubes after nanogap formation by electrical breakdown (2015)
  • Author(s): Keigo Otsuka, Yuki Shimomura, Taiki Inoue, Shohei Chiashi, Shigeo Maruyama
  • Organizer: Third Carbon Nanotube Thin Film Electronics and Applications Satellite (CNTFA15)
  • Place of Presentation: 名古屋大学，愛知県，名古屋市
  • Year and Date: 2015-06-28
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 金属単層カーボンナノチューブ選択的燃焼の長尺化 (2015)
  • Author(s): 大塚慶吾，下村勇貴，井ノ上泰輝，千足昇平，丸山茂夫
  • Organizer: 第52回日本伝熱シンポジウム
  • Place of Presentation: 福岡国際会議場，福岡県，福岡市
  • Year and Date: 2015-06-03