2016 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 |
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した。高機能ナノ材料を作製するためには、結晶方位、形状、粗さ、密度等の制御が不可欠であり、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28年度においても昨年度に引き続き、シード層と機能層からなる多層構造薄膜を、熱処理により薄膜の脱濡れを施し、得られた表面構造や結晶構造について詳細に観察し、その形成過程のメカニズムについて検討を行った。また、得られた知見を基にして、ナノ構造薄膜の作製とその制御を行った。更に本年度においては、機能層の更なる多層化を図り、三層以上からなる薄膜に脱濡れを施して自己組織化を行った。
具体例として、Al2O3等の単結晶基板やSi酸化基板等を使用し、Ti、Feをシード層として、その上にAg、Auを機能層とした二層薄膜を熱処理による脱濡れにより自己組織化させ多様なナノ構造薄膜を発現させ、その微細構造を詳細に解析した。その結果、シード層と基板との組成の相性により、シード層自体の酸化や結晶構造が変化し、それによってAu等の機能層の脱濡れ過程が大きく変化するという新たな知見得られた。均一な薄膜の脱濡れを施すためには、シード層と基板の選択（元素、膜厚）が重要であるため、作製条件の更なる精査を行った。
機能層の多層化を目指し、Pd/Fe層をFeをシード層として脱濡れを施したAu/Fe層の上に蒸着し熱処理を行い、その表面構造の変化について調べた。Au/Fe層の脱濡れによる自己組織化構造と比較した結果、多層化による脱濡れ速度の変化に違いはあるものの、自己組織化したPd/Fe/Au/Fe多層膜を得ることに成功した。即ち、自己組織化したAu/Fe二層薄膜をテンプレートとして用いることで、その上に蒸着し多層化した機能層の脱濡れによる自己組織化が促進されることが判明した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
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29年度では、昨年度に続き、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、より多彩なナノ構造薄膜を得ることができた。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、シード層が脱濡れした膜の結晶成長に与える影響に関しても新たな発見があり、結晶成長のメカニズムに関してより多くの情報がえられた。現在まで目標(1)と(3)に関して進んでいるが、(2)と(4)に関しては十分成果を得られていない。
本年度も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と具湘謨教授のグループとともに共同研究を行ってきたが、光云大学にある蒸着装置に長期にわたって不具合が発生したため、試料作製を十分に行えなかった。そのため、試料数が十分ではなく、高品質化や高機能化に向けた研究が十分に行うことが出来なかった。
以上、研究目標と照らし合わせ、本年度の本研究の進捗状況はやや遅れ気味であると思われる。
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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行い、作製プロセスにフィードバックさせ、良質なナノ構造薄膜の作製を行い、ナノ薄膜材料の高機能化を図る。具体的には、多層化したナノ構造薄膜の作製を行うこと、及び、特異なナノ形状を有する機能材料をより均一的に配置できるような自己組織化を用いたボトムアップ型の複合プロセスを開発することである。
多層化による高機能化の具体例の一つとして、Pd/FeやPd/Co等の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。これらの多層膜は垂直磁気異方性を有するため磁気光学特性を有する。実際には、Fe層やCo層をシード層として活用し、Au層を蒸着し、熱処理を施すことで脱濡れを施し、その上に改めてPd/Fe層等の磁性層を積層させ、再度熱処理を行うことにより、磁性多層構造を有するナノ・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磁気光学特性を有すると期待される。
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MgO(001)（4回対称）基板やAl2O3(0001)（6回対称）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基板の対称性を反映した新奇なナノ構造の創製を目指す。面積が小さい膜の脱濡れ過程は、結晶成長の分野ではあまり例がないため、その脱濡れ過程のメカニズムを解析し、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、面積の小さい膜を熱処理して脱濡れを進行させ、膜内部にホールが形成されたリング状の金属ナノリングの創製を目指す。またそ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、当初の予定では金属の高純度ターゲット（20～30万円）を購入する予定であったが、本年度は海外協力研究者である韓国・光云大学の河在混教授の蒸着装置の故障が相次ぎ、試料作製が予定よりもできなかったため、ターゲットの消却が進まなかった。平成28年度に開催された物理学会と応用物理学会の学術講演会の開催日程が重なり、双方の移動距離も遠かったため、物理学会のみの参加となったため国内旅費の支出が減額した。また、国際会議への参加を見送ったため、旅費として合計で約40万円程支出を見送った。平成28年度は原著の学術論文を投稿する予定であったが、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。
一方で、薄膜の構造を詳細に解析するため、EBSDやAESといった表面分析を多く外注したため、その他の支出が増えてしまったが、全体で40～50万円程の次年度繰越金が生じた。
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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。次年度はこれら物品費の購入に関する出費（50～70万円）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、次年度においてもEBSD等の構造解析を複数回外注することを検討している（30～40万）。これら研究促進に必要な物品費や解析費用に使用額の多くを運用する計画である。
次年度は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。次年度は論文投稿を複数行う予定であり、それにかかる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。これら研究成果の発表に関する費用等に次年度使用額の多くを用いる予定である。
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Research Products
(3 results)
