Development of low-cost fabrication procedure of nanogap electrode and molecular sensor using single molecule reaction

• Project Area: Molecular Architectonics: Orchestration of Single Molecules for Novel Function
• Project/Area Number: 16H00974
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: 内藤 泰久 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (10373408)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2017: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2016: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
• Keywords: ナノギャップ / 分子エレクトロニクス / ナノ材料 / マイクロ・ナノデバイス

Outline of Annual Research Achievements

本研究は独自のナノギャップ電極作製手法について、その低コスト化と作製した電極活用法の一つとして分子センサーの実現を目指す。低コスト化については、平成28年度にある程度達成している。平成29年度は、独自の作製手法で作製したナノギャップ電極についてギャップサイズの検証を行った。作製後の電流-電圧カーブからフィッティングにより算出されるギャップ幅は約１nmであるが、ギャップ幅が小さすぎて電子顕微鏡などで直接構造を観察することは難しかった。そこで分子長0.9nmの分子を作製ナノギャップ間に展開し、電流-電圧カーブを測定することで評価した。その結果、作製時の条件によって電極間に分子の架橋非架橋を制御できた。すなわちギャップ幅が分子長以下、以上であることを示しており、約1nmのギャップ幅を有していることが明らかとなった。
また特記すべき点として、分子が片方の電極にのみ吸着した状態でも、吸着前後でトンネル抵抗として変化を検出している点である。この点は、ナノギャップ長が約1nmで常にトンネル電流が流れるほど電極間隔が漸近していることを示しており、分子の状態密度に依存したトンネル電流を計測できていることを示している。この点を利用し、ギャップ間に用意した分子の状態密度の変化を利用した分子センサーのデモンストレーションを行った。この計でセンシング感度を評価すると、集合体としてセンサー分子を構成していたものと比べ約100倍の感度向上が明らかとなった。
今後は、前述の分子センサーなど分子の特徴を活かしたデバイス研究に本技術を役立てたい。

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 of sub-1?nm gap electrodes using metal-mask patterning and conductivity measurements of molecules in nanoscale spaces (2017)
  • Author(s): Naitoh Yasuhisa、Albrecht Ken、Wei Qingshuo、Yamamoto Kimihisa、Shima Hisashi、Ishida Takao
  • Journal Title: RSC Advances Volume: 7 Issue: 84 Pages: 53503-53508
  • DOI: 10.1039/c7ra10873g
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Conjugated electrical properties of Au nanoparticle?polyaniline network (2017)
  • Author(s): Usami Yuki、Otsuka Yoichi、Naitoh Yasuhisa、Matsumoto Takuya
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 56 Issue: 12 Pages: 128001-128001
  • DOI: 10.7567/jjap.56.128001
  • NAID: 210000148473
  • Peer Reviewed
• [Presentation] sub 1 nmナノギャップ電極を用いたベンゼンジチオールの電気特性評価 (2018)
  • Author(s): 内藤泰久、中村徹、アルブレヒト健、衛慶碩、山元公寿、島久、石田敬雄
  • Organizer: 応用物理学会
• [Presentation] 金微粒子―ポリアニリンネットワークの非線形電気特性 (2018)
  • Author(s): 宇佐美 雄生、大塚 洋一、内藤 泰久、松本 卓也
  • Organizer: 応用物理学会
• [Presentation] 二次元 分子/微粒子ネットワークの微粒子間距離制御 (2017)
  • Author(s): 斉藤 明弘、宇佐美 雄生、大塚 洋一、内藤 泰久、松本 卓也
  • Organizer: 応用物理学会
• [Presentation] 二次元AuNPネットワークの微粒子間距離制御に関する研究 (2017)
  • Author(s): 斉藤 明弘、宇佐美 雄生、大塚 洋一、内藤 泰久、松本 卓也
  • Organizer: 第8回分子アーキテクトニクス研究会
• [Presentation] 金微粒子ーポリアニリンネットワークの非線形電気特性 (2017)
  • Author(s): 宇佐美 雄生、大塚 洋一、内藤 泰久、松本 卓也
  • Organizer: 第8回分子アーキテクトニクス研究会
• [Presentation] Research & Development toward Organic Gas Molecule Sensing (2017)
  • Author(s): 中村徹、内藤泰久
  • Organizer: 9th International Conference on Molecular Electronics and Bioelectronics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 金属ナノギャップ構造における、電圧印加によるギャップ長制御 (2017)
  • Author(s): 内藤泰久
  • Organizer: 2017年第2回極限ナノ造形・構造物性研究会 講演会
  • Invited