2015 Fiscal Year Research-status Report
脱濡れ現象による自己組織化を用いた機能性ナノ薄膜材料の創製
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15K04620
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
神子 公男 東京大学, 生産技術研究所, 助教 (80334366)
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2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | ナノ材料 / 自己組織化 / 結晶成長 / マイクロ・ナノデバイス / 脱濡れ / 微細加工 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
RF及びDCマグネトロンスパッタリング法を用いて自己組織化ナノ構造薄膜を作製する。ナノ構造を特徴づける物理量として、結晶方位、形状（アスペクト比、高さ等）、密度等が挙げられる。これらの物理量を制御し、目的とするナノ構造体が高均一に表面に形成された薄膜を作製する技術が必要とされている。平成27年度においては、シード層と機能層からなる多層構造薄膜を、様々な作製条件（熱処理温度、基板、膜厚等）下で作製し、その表面構造や結晶構造の違いを観察し、多種・多様なナノ構造薄膜の作製とその制御、及び形成メカニズムについての検討を行った。
具体的には、MgO、Al2O3等の単結晶基板やSi酸化基板等を使用し、Ti、Fe、Si、Ge等をシード層として、その上にAg、Au、Ir等を機能層として蒸着させた。その後、熱処理により脱濡れを引き起こし多種・多様なナノ構造の実現を行った。ナノ構造の緻密な制御のためには、シード層の選択（元素、膜厚）や機能層の膜厚、熱処理条件等の作製条件を変化させ、特異なナノ構造を得るための作製条件の精査を行った。
作製したナノ構造の具体例の一つとして、均一なナノ・ホール(Hole)の多数空いた、多孔質薄膜の作製を行った。更に、脱濡れの初期過程において形成されるナノ・ホールの構造を制御し、更なる熱処理脱を施すことにより脱濡れが進行させ後に形成されるドット(Dot)やロッド(Rod)のような構造への“進化”の過程を観察した。また、表面の結晶構造の対称性の異なる基板（例えば、MgO(001)（四回対称）、Al2O3(0001)（六回対称）、SiOx（非対称）等）を用いることで、形成されるナノ・ホールやナノ・ドット構造の制御を行った。得られた結果を系統的に考察することで、形成メカニズムについて検討を行い、作製にフィードバックを行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究は、特異な形状や良質な結晶構造（配向性）を有することで、光学特性や磁気特性といった機能性の向上が期待されるナノ材料を、脱濡れ（熱凝集）現象を用いた自己組織化により作製する。本研究において、目的とする機能層と基板との間に、シード層と呼ばれる脱濡れ現象を促進する薄膜層を挿入することで自己組織化を促進させ、余分な蝕刻工程等を必要としない、ボトムアップ型のナノ材料創製技術の確立を主眼として研究を行っている。
研究期間内の具体的な目標は、(1)シード層促進型の脱濡れ現象を用いて多彩で良質なナノ構造薄膜を作製すること、(2)その形状や密度等の構造制御を行い、均一性を向上させること、(3)結晶成長メカニのズムを詳細に検討することでナノ材料創製技術を確立すること、(4)本手法を応用して高機能ナノ薄膜材料を作製することである。
平成27年度では、薄膜作製次の多岐にわたる実験パラメータを変化させることで、多彩なナノ構造薄膜を得ることができた。また、それら自己組織化ナノ構造体の形状や密度等の微細構造制御行い、高密度化や高均一性の向上に関して一定の成果を得ることができた。また、脱濡れによる自己組織化ナノ構造形成のメカニズムに関して、その形成過程のみならず、脱濡れ促進の物理的要因もある程度明らかにすることができた。これらの結果は、意図した高機能ナノ薄膜材料を作製への本ボトムアップ手法の応用の可能性を示唆するものであった。
現在まで、海外共同研究者である韓国・光云大学の河在根教授のグループに加え、同大学の具湘謨教授のグループとも研究協力関係を構築でき、研究協力関係は有効に機能しており、研究目標と照らし合わせ、本研究は概ね順調に進展していると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
作製条件の選択が多岐にわたるため、引き続き、脱濡れを用いて自己組織化ナノ構造薄膜の作製とその構造制御、及びその形成メカニズムの検討を継続して行っていく。本研究の作製プロセスがある程度確立し、良質なナノ構造薄膜が作製出来るような段階に進行した後、意図したナノ薄膜材料の高機能化を図る。具体的には、薄膜の多層化や、ボトムアップ型の複合プロセスによる特異なナノ材料の開発である。
多層化による高機能化の具体例の一つとして、Pd/Co系やPd/Fe系多薄膜の脱濡れを用いた自己組織化ナノドットの形成による磁気光学素子の検討を図る。Pd/Co層やPd/Fe層は垂直磁気異方性を有するため大きな磁気光学特性を示す。ここで、CoやFe層はそのままシード層として活用し、AgやAu等の貴金属層を蒸着し、熱処理を施すことで脱濡れを発現させ、その上にPd/(Co or Fe)層（磁性層）を積層させ、再度熱処理を施すことにより、貴金Pd/(Co or Fe)/貴金属層からなるナノ・ドットを作製する。このナノドットは低次元化により大きな垂磁気光学特性を有することが予期される。
複合プロセスの具体例として、通常の薄膜作製工程において、開口径が数μmの既存のメッシュを基板上部に置き、薄膜を蒸着させて径が数μm以下になるような膜を基板上に成形し、脱濡れを行うことで新奇なナノ構造の創製を目指す。サイズがμmオーダーで作製された面積の小さい膜の脱濡れ過程は、既存の研究例があまりないため、作製されるナノ構造の形状と作製諸条件の比較・検討を行う。特異なナノ形状の創製の具体例の一つとして、自己組織化金属ナノコイルの作製を行う。サイズがμmオーダーで作製された面積の小さい膜を熱処理により脱濡れを進行させ、膜内部にホールが形成された多様な金属ナノコイル構造を創製する。この金属ナノコイルの光学特性について、分光光度計を用いて測定する。
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| Causes of Carryover |
物品費に関して、当初の予定では貴金属の高純度ターゲットを購入する予定であったが、本年度は既存のターゲットで研究が遂行できたため、新規購入を控えた。また、本研究では多くの単結晶基板を用いるが、その一部を海外協力研究者である韓国・光云大学の河在混教授が負担なされたため、基板購入費用が減額につながった。旅費に関して、平成27年秋に開催された応物学会と物理学会の学術講演会の開催日程が重なり、双方の移動距離も比較的近距離であったため、各学会に個別に参加するよりも交通費と宿泊費といった経費（約5万円）が削減できた。平成27年度は原著の学術論文を投稿する予定であったが、データ精査の必要上、年度内に間に合わなかったため、英文校閲料や投稿料等の支出（約10万円）がなかった。また、機器修理費用の一部を支出する予定であったが、本年度は機器修理の必要がなかったため、その分の経費（10万程度）が懸からなかった。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
本研究では多種多様な薄膜試料を作製することが必要であるため、高純度ターゲット、単結晶基板、その他真空部品等の購入が必要となる。また、画像解析用のソフトとPCの購入他、次年度はこれら物品費の購入に多くの出費（70～90万円）を要すると考えられる。試料の微細構造を詳細に行うため、外注による構造解析（20～30万程度）も検討している。また、試料作製装置等のメンテナンスの費用の一部として、20万円程度を見積もっている。これら研究促進に必要な物品費等に使用額の多くを運用する計画である。
次年度も国内外の会議に参加して研究発表する予定であり、海外研究協力者との研究打合せも継続して行う。これらの出張費用に40～50万程度の支出を想定している。次年度は論文発表を複数行う予定で、校閲料と投稿料の費用として20万程度の支出を見積もっている。これら研究成果に発表に関した費用等に次年度使用額の一部を用いる予定である。
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Research Products
(4 results)
