Atomic-scale structural analysis of nanodevices under actual working environment

• Project/Area Number: 23K21080
• Project/Area Number (Other): 21H01814 (2021-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2021-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 29020:Thin film/surface and interfacial physical properties-related
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 吉田 秀人 大阪大学, 産業科学研究所, 准教授 (00452425)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,550,000 (Direct Cost: ¥13,500,000、Indirect Cost: ¥4,050,000); Fiscal Year 2024: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000); Fiscal Year 2023: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2022: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000); Fiscal Year 2021: ¥8,580,000 (Direct Cost: ¥6,600,000、Indirect Cost: ¥1,980,000)
• Keywords: ナノデバイス / 電子顕微鏡 / 原子スケールその場観察

Outline of Research at the Start

ナノ材料を用いたガスセンサーや抵抗スイッチングメモリといったナノデバイスの研究開発が盛んになっている。本研究では、気体（酸素、水素、一酸化炭素）中でナノ材料（金属および金属酸化物ナノワイヤー）に熱や電圧を加えたときにおこる構造・電子状態変化を、環境制御型透過電子顕微鏡を用いて原子スケールで動的に観察し、それと同時にナノ材料の電気伝導特性を測定することで、ナノデバイスの動作機構に関する知見を得ることを目指す。

Outline of Annual Research Achievements

金属酸化物ナノワイヤの原子スケール構造の透過型電子顕微鏡（TEM）その場観察と電気特性測定を同時に行うことを可能にするシステムの構築とその応用に取り組んだ。TEM観察用のMEMSチップの窒化珪素薄膜上に、フォトリソグラフィーとスパッタリングにより金配線を作成した。次に、集束イオンビームにより金配線を窒化珪素薄膜ごと一部切断し、空隙を作成した。この空隙に酸化チタンナノワイヤを架橋させ、両端にカーボンを堆積させて固定することで、ナノワイヤの構造と電気特性の同時解析システムの構築に成功した。本システムは金属酸化物ナノワイヤに限らず多くの材料に適用可能であり、様々な材料の電気特性と微細構造の関係解明に寄与することが期待できる。実際にTEM内で酸化チタンナノワイヤに電圧を印加することで、抵抗スイッチング現象を確認することができた。高抵抗状態と低抵抗状態の抵抗値は約1桁異なる。抵抗スイッチング前後で酸化チタンナノワイヤの微細構造に変化は観察されなかったが、酸化チタンナノワイヤ中の酸素濃度が低下していることが走査透過電子顕微鏡（STEM）-電子エネルギー損失分光法（EELS）により分かった。電圧印加による酸素濃度の低下によって抵抗値が変化したと考えられる。また、ハイエントロピー合金ナノ粒子が銅やパラジウムの単金属ナノ粒子よりも加熱した際の構造変化が小さく、熱的に構造が安定であることをTEMその場観察から明らかした。さらに、酸化タングステンナノワイヤを水素中で加熱した際に、表面から還元され、最終的に金属タングステンの多結晶に変化することを環境TEM観察により明らかにした。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

主力装置の故障の修理に時間を要することもあったが、着実に研究を進めた。

Strategy for Future Research Activity

これまでの研究によって作製方法を確立した、ナノ材料の原子スケール構造の透過型電子顕微鏡（TEM）その場観察と電気特性測定を同時に行うことを可能にするシステムを用いて、様々なナノ材料の構造と電気特性の関係を明らかにすることを目指す。酸化チタンナノワイヤの抵抗スイッチング現象その場観察には成功したが、リセット動作は実現できていない。これはTEM内が真空であることが原因の可能性がある。そこで、環境TEMにより、酸素中で抵抗スイッチング現象をその場観察することで、リセット動作が実現できるか試みる。また、真空中と酸素中で、抵抗スイッチング動作時の酸化チタンナノワイヤの構造や組成の変化に違いがあるか調べる。酸化タングステンナノワイヤは水素や一酸化炭素ガス中で電気抵抗が大きく変化することからガスセンサーとして動作することが知られている。水素や一酸化炭素ガス中でセンサーとして動作している状態で、酸化タングステンナノワイヤをETEM観察することにより原子スケール構造を明らかにし、さらに電子エネルギー損失分光法により電子状態を調べる。ガス中と真空中の各種ナノワイヤの原子スケール構造・電子状態を比較することで、センサー動作（抵抗値の変化）の原因を明らかにし、センサー動作原理に関する知見を得る。特に、ナノワイヤの表面および内部の酸化・還元状態に着目し研究を進める。

Research Products

• [Journal Article] Multicrystalline informatics applied to multicrystalline silicon for unraveling the microscopic root cause of dislocation generation (2024)
  • Author(s): Kenta Yamakoshi, Yutaka Ohno, Kentaro Kutsukake, Takuto Kojima, Tatsuya Yokoi, Hideto Yoshida, Hiroyuki Tanaka, Xin Liu, Hiroaki Kudo, and Noritaka Usami
  • Journal Title: Adv. Mater. Volume: 36 Issue: 8 Pages: 2308599-2308599
  • DOI: 10.1002/adma.202308599
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Rh nanoparticles dispersed on ZrO2－CeO2 migrate to Al2O3 supports to mitigate thermal deactivation via encapsulation (2023)
  • Author(s): Masato Machida, Hideto Yoshida, Naoto Kamiuchi, Yasuhiro Fujino, Takeshi Miki, Masaaki Haneda, Yutaro Tsurunari, Shundai Iwashita, Rion Ohta, Hiroshi Yoshida, and Junya Ohyama
  • Journal Title: ACS Appl. Nano Mater. Volume: 6 Issue: 11 Pages: 9805-9815
  • DOI: 10.1021/acsanm.3c01535
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Hydride Anion Substitution Boosts Thermoelectric Performance of Polycrystalline SrTiO3 via Simultaneous Realization of Reduced Thermal Conductivity and High Electronic Conductivity (2023)
  • Author(s): He Xinyi、Nomoto Seiya、Komatsu Takehito、Katase Takayoshi、Tadano Terumasa、Kitani Suguru、Yoshida Hideto、Yamamoto Takafumi、Mizoguchi Hiroshi、Ide Keisuke、Hiramatsu Hidenori、Kawaji Hitoshi、Hosono Hideo、Kamiya Toshio
  • Journal Title: Advanced Functional Materials Volume: 33 Issue: 28 Pages: 2213144-2213144
  • DOI: 10.1002/adfm.202213144
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] In situ TEM study on the structural stability of high entropy alloy nanoparticles (2023)
  • Author(s): Hideto Yoshida, Naoto Kamiuchi, Naoki Hashimoto, and Kohsuke Mori
  • Organizer: IAMNano 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ナノ粒子触媒の電子顕微鏡その場観察 (2023)
  • Author(s): 吉田秀人
  • Organizer: 令和5年度触媒学会西日本支部触媒技術セミナー
  • Invited
• [Presentation] ETEM study of nanomaterials (2022)
  • Author(s): 吉田秀人
  • Organizer: 日本顕微鏡学会若手研究部会2022年度シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 環境制御型透過電子顕微鏡法とその応用 (2022)
  • Author(s): 吉田秀人
  • Organizer: 日本顕微鏡学会ソフトマテリアル分科会2022年度第1回講演会
  • Invited
• [Presentation] Environmental TEM study of catalytic nanomaterials (2021)
  • Author(s): Hideto Yoshida
  • Organizer: 2022 ASEAN Joint Workshop
  • Int'l Joint Research / Invited