2016 Fiscal Year Research-status Report
金属イオン水溶液／シリコン界面での無電解金属ナノ構造成長機構の解明
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16K05933
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
西 正之 京都大学, 工学研究科, 講師 (50402962)
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2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 金ナノ粒子 / 無電解 / シリコン / ラマン分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年、我々の研究グループは、シリコン基板表面の局所領域に集束イオンビーム（FIB）を照射後、同基板表面に塩化金酸水溶液を接触させると、FIB照射部に選択的に金ナノ構造が成長することを報告した。この新たな局所選択的無電解法では、塩化金酸水溶液中に金イオンを還元するための還元剤は含まれていない。塩化金酸水溶液は純粋な塩化金酸水溶液である。ではなぜ金が成長するのか。これまでに、FIB照射により自然酸化膜が除去されたシリコン表面から溶液中の金イオンに電子が移動することで金ナノ構造が成長することを明らかにしたが、電子供給後のシリコンの状態やその分布が未だ不明であった。今回、n型のシリコン基板を用いて反応時間2時間という長時間にわたり10マイクロメートル角のFIB照射部に金を成長させた後、金を剥離し、飛行時間型二次イオン質量分析法を用いて分析・解析した結果、金が成長することでFIB照射部周辺の基板表面方向に数10マイクロメートル以上にわたり、1ナノメートル弱の非常に薄い酸化層が新たに形成されることを確認した。
我々の無電解法を用いれば、市販の原子間力顕微鏡用標準シリコン製探針の先端に選択的に金ナノ構造を成長させることができる。したがって、同手法はチップ増強ラマン散乱用の探針を作製する方法として応用できる。チップ増強ラマン散乱は、通常の光学レンズでは不可能なナノスケールでのラマン分光分析を可能にする方法であり、汎用化には優れた探針の作製が一つの課題である。我々は、独自の無電解法において反応に使用する塩化金酸水溶液に硝酸銀水溶液や塩化ナトリウムを加えることで金の成長をさらに制御することができることを明らかにした。
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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
我々の無電解法では、局所的に自然酸化膜が除去されたシリコンから水溶液中の金イオンに電子が移動し、金が成長する。本研究課題での１つの目的は、金成長後のシリコンの状態として、一般的な半導体／金属界面の例のように電子が移動するだけなのか、あるいは酸素と結合したシリコンがFIB照射部周辺にある程度の幅、深さの範囲で分布しているのか、とくに後者の場合はどのような分布なのか、を明らかにすることである。H28年度の予定は、これまで我々が主に使用してきて、種々の既得データがある真性シリコンを用いて分析評価することであった。H29年度にn型のシリコンを用いて金成長量の定量評価と反応時間依存性等も含めて上記の分析評価を行う予定であったが、このH29年度の予定を前倒しで行い、H28年度の予定の一部をH29年度に実施することにした。その理由は、真性に比べてn型のシリコンの方が電子供給後に電子が欠乏する層の厚みが非常に小さく、その事実が目的である酸化層の検出・評価に有利に働くと、予備実験から予想したためである。その結果、「実績の概要」で述べたように、金が成長することでFIB照射部周辺の基板表面方向に非常に薄い酸化層が広範囲に渡り新たに形成されることを確認した。
また、我々の手法を用いて、市販の原子間力顕微鏡用シリコン製探針の先端に選択的に金ナノ構造を成長させる研究についても、当初の予定通り、塩化金酸水溶液に硝酸銀や塩化ナトリウムを混合することが金成長に及ぼす影響を調べ、今後の金成長制御のための指針を得た。
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| Strategy for Future Research Activity |
H28年度では、金が成長することでFIB照射部周辺の基板表面方向に広範囲に渡り非常に薄い酸化層が新たに形成されることを、飛行時間型二次イオン質量分析法を用いた分析・解析により確認した。同年度ではn型シリコン基板を主に用いたが、真性シリコン基板についても検証を開始しており、H29年度では、n型、真性の両方について、さらにデータを増やすことで酸化層の形成およびその分布に関して理解を深める。また、H29年度以降では、当初の計画にはなかったが、照明が金成長に及ぼす影響についても検証する。我々の無電解法は、シリコンから溶液への電子移動を利用するため、光照射によるキャリアの増加が金成長に影響を与える可能性がある。これまでは、実験操作の都合もあり、部屋の天井の照明がシリコン基板に当たらないようにする特別な工夫はしていなかったが、照明の影響を調べる実験では、携帯型の照明等を利用して基板にあたる光量を上げて、金成長の光量に対する依存性を評価することで、照明等の光による金成長への影響を評価したいと考えている。
また、我々の手法を用いて、市販の原子間力顕微鏡用シリコン製探針の先端に選択的に金ナノ構造を成長させる研究についても、予定通り、添加・混合物の観点から金の成長をさらに制御する研究を進めていく。
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