Advance in electro-fine-injection for super-long metallic micro/nanowire growth by high density electron flow

• Project/Area Number: 20H02026
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 18010:Mechanics of materials and materials-related
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: Kimura Yasuhiro 名古屋大学, 工学研究科, 助教 (70803740)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥17,940,000 (Direct Cost: ¥13,800,000、Indirect Cost: ¥4,140,000); Fiscal Year 2022: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2021: ¥6,110,000 (Direct Cost: ¥4,700,000、Indirect Cost: ¥1,410,000); Fiscal Year 2020: ¥8,970,000 (Direct Cost: ¥6,900,000、Indirect Cost: ¥2,070,000)
• Keywords: 機械材料・材料力学 / 原子拡散 / エレクトロマイグレーション / 金属ファインワイヤ / インジェクション / ファインマテリアル

Outline of Research at the Start

近年、マイクロ・ナノサイズの微細材料であるファインマテリアルに関する研究関心が高まる一方で、ファインマテリアル特有の優れた性質を維持したスケールアップが困難という理由から、大型構造物への画期的な応用事例は未だなく、機械材料としての産業利用は遅々としているのが現状である。本研究はそれを突破するために、ファインマテリアルの身近で多用される材料化を目標に掲げ、極細な径を有する1次元ファインワイヤの「超長化」と「単結晶化」を同時実現する先駆的な、電子流による原子拡散を利用した革新的な金属微小射出技術「金属エレクトロファインインジェクション技術」の深化と実用化を図る。

Outline of Final Research Achievements

This work has attempted the electron-flow-driven metallic fine injection method due to high pressure induced by the accumulation of atoms during electromigration. The results show the suggestions of the feasibility of this technique through the following three studies: the establishment of electron-flow-driven metallic fine injection method, the acceleration of wire injection speed based on clarification of injection mechanism, and control and evaluation of material properties of injected wires.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

創製されたファインワイヤは良好な機械特性、特に高強度を示すことから、これまで化学センサ等の機能材料としての働きに限定されてきたファインワイヤの応用事例を機械材料分野にまで拡張させる成果である。また考案された原子拡散制御手法を発展させることは、ワイヤの射出速度の制御に資するのみならず、ワイヤの直径、長さおよびその幾何形状の制御をも可能にし、これまでにない新たなファインマテリアルを作り出す創製手法の基盤技術となることが期待される。

Research Products

• [Journal Article] Electromigration-Driven Crystallinity Design of Metallic Nanowire (2022)
  • Author(s): KIMURA Yasuhiro
  • Journal Title: Journal of the Society of Materials Science, Japan Volume: 71 Issue: 9 Pages: 735-741
  • DOI: 10.2472/jsms.71.735
  • ISSN: 0514-5163, 1880-7488
  • Year and Date: 2022-09-15
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Intermetallic compound formation inhibiting electromigration-based micro/nanowire growth (2021)
  • Author(s): Kimura Yasuhiro、Ju Yang
  • Journal Title: Journal of Vacuum Science & Technology B Volume: 39 Issue: 6 Pages: 062803-062803
  • DOI: 10.1116/6.0001271
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Equilibrium current density balancing two atomic flows in coupled problems of electromigration and thermomigration in unpassivated gold film (2020)
  • Author(s): Y.Kimura and Y.Ju
  • Journal Title: AIP Advances Volume: 10 Issue: 8 Pages: 085125-085125
  • DOI: 10.1063/5.0011417
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 電子流による原子拡散に基づくマイクロ・ナノワイヤ創製法の開拓 (2022)
  • Author(s): 木村 康裕
  • Organizer: 日本応用物理学会 東海NFRW・若手チャプタージョイントワークショップ
  • Invited
• [Presentation] ナノスカイビング法を用いた相変化ナノワイヤの創製 (2022)
  • Author(s): 白澤 拓磨, 木村 康裕, 徳 悠葵, 巨 陽
  • Organizer: 日本機械学会 M&M 2022 材料力学カンファレンス
• [Presentation] Ti-6Al-4Vにおける電流印加による転位挙動の動的観察 (2022)
  • Author(s): 礒井 宙, 木村 康裕, 徳 悠葵, 巨 陽
  • Organizer: 日本機械学会 M&M 2022 材料力学カンファレンス
• [Presentation] Fabrication of metallic nanogaps using grain boundary diffusion based on electromigration (2022)
  • Author(s): Yu Nobuoka, Yasuhiro Kimura, Yuhki Toku, Yang Ju
  • Organizer: 2022 JSME-IIP/ASME-ISPS Joint Conference on Micromechatronics for Information and Precision Equipment
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] An electromigration-based injection system manufactured by microfabrication (2022)
  • Author(s): Sota Nakashima, Yasuhiro Kimura, Yuhki Toku, Yang Ju
  • Organizer: 2022 JSME-IIP/ASME-ISPS Joint Conference on Micromechatronics for Information and Precision Equipment
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] On Selective Fabrication of Metallic Micro/Nanomaterials in Electromigration-based Injection System (2021)
  • Author(s): Yuta Ito, Yasuhiro Kimura, Yuhki Toku, and Yang Ju
  • Organizer: 2021 5th International Conference on Nanomaterials and Biomaterials
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 高密度電子流による原子拡散に基づく金属マイクロ・ナノワイヤ創製 (2021)
  • Author(s): 木村康裕
  • Organizer: 日本材料学会 東海支部 第1回イブニングセミナー
  • Invited
• [Presentation] On growth technique of electromigration-based free-standing Al micro/nanowires (2021)
  • Author(s): Yasuhiro Kimura, and Yang Ju
  • Organizer: The 64th International Conference on Electron, Ion, and Photon Beam Technology and Nanofabrication (EIPBN)
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 名古屋大学大学院工学研究科 マイクロ・ナノ機械理工学専攻 材料強度・評価学研究グループ
  • URL: https://www.mech.nagoya-u.ac.jp/ju/
• [Remarks] 名古屋大学工学研究科マイクロ・ナノ機械理工学専攻 材料強度・評価学研究グループ
  • URL: http://www.mech.nagoya-u.ac.jp/ju/
• [Patent(Industrial Property Rights)] ナノワイヤ製造装置およびナノワイヤ製造方法 (2020)
  • Inventor(s): 木村康裕，巨陽
  • Industrial Property Rights Holder: 木村康裕，巨陽
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Patent Publication Number: 2022-041761
  • Filing Date: 2020
  • Acquisition Date: 2022
• [Patent(Industrial Property Rights)] ナノワイヤ製造装置およびナノワイヤ製造方法 (2020)
  • Inventor(s): 木村康裕，巨陽
  • Industrial Property Rights Holder: 木村康裕，巨陽
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2020