2018 Fiscal Year Research-status Report
ナノ弾性の顕在化による超高面密度ZnO自立ナノロッド配列の圧電電荷出力の向上
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17K05004
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
渡辺 健太郎 東北大学, 材料科学高等研究所, 准教授 (40582078)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 単結晶自立ナノロッド / ZnO / 溶液成長 / 選択成長 / 圧電変換 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
膨大な量の小型センサをあらゆるものに導入し情報を収集・活用する高度センサ化社会においては、そのセンサ用電源として安価で生体・自然環境に無害な永続的に給電可能な小型自立電源が求められる。その動作原理として圧電変換による機械的振動エネルギー回収技術が注目されている。そこで安価で生体・自然環境に無害な圧電材料およびその作製手法として、圧電性半導体ZnOの単結晶自立ナノロッド配列構造、および前駆体水溶液中でのZnO化学合成を原理とする溶液成長法に注目した。
本研究では、バルク単結晶よりも弾性限界歪が２桁高い単結晶自立ナノロッドの「ナノ弾性」を利用し、ZnO単結晶自立ナノロッドの微細化・高密度化により配列構造の同じ膜厚のZnO薄膜を超える圧電電荷出力を実現することを目標とし、昨年度は下地オーミック電極Au上のZnO単結晶自立ナノロッド配列のヘテロエピタキシャル成長技術、および、前駆体溶液への添加剤導入によるZnO単結晶自立ナノロッドのアスペクト比制御技術を開発した。
平成３０年度は、高面密度の自立ナノロッド配列に適切な粘性を有する有機フォトレジスト膜を塗布することで、これを埋め込む技術を開発した。この自立ナノロッド配列埋め込み構造は、圧電デバイス応用の観点から、①上部電極が形成可能になる、②ロッド軸直交方向の剪断応力に対して耐久性が上がり応力集中によるナノロッド根本での構造破壊を防げる、という利点がある。また、本埋め込み技術はZnO単結晶自立ナノロッド配列構造に限らず、他材料、多孔質材料なども埋め込み可能で汎用性があり、応用展開が期待できる。
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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
平成３０年度は、年度初めに大阪大学から東北大学への異動があったため、まず成長系・測定環境の再立ち上げを行った。また、ZnOナノロッド配列構造の圧電デバイス作製のため、有機膜埋め込み技術を開発した。具体的には以下の項目に取り組んだ。
（１）有機膜埋め込み技術を軸長・直径・間隔の異なる様々な自立ナノワイヤ配列に適用した結果、軸長10um、間隔100nmの高アスペクト比のナノ空隙を有する自立ナノワイヤ配列を埋め込み可能なことを示した。今後、間隔100nm以下のナノ空隙が埋め込み可能か否かも検証する。
（２）有機膜埋め込み後の機械研磨により、自立ナノロッド配列埋め込み構造の表面を平滑化可能なことを示した。これより埋め込まれたナノロッドと上部電極材料との電気的接触が可能となるため、重要な結果である。
（３）ZnO自立ナノロッドだけでなく、Si自立ナノワイヤ配列に適用した結果、埋め込み可能であった。よって、本埋め込み技術は他材料の空隙構造も埋め込み可能で汎用性があることを示した。ZnO自立ナノロッド配列のほか、他材料、多孔質材料などにも応用展開が期待できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成３１年度は、以下の手順で研究遂行する。
①単一ZnO自立ナノロッドの物性評価と圧電応答力顕微鏡PFMを用いた圧電応答検出。
②成長条件制御によるZnO単結晶自立ナノロッド配列の高面密度化・長軸化と、単一ZnO自立ナノロッドの圧電応答の改善。
③有機膜埋め込み技術を用いたZnO単結晶自立ナノロッド配列圧電デバイスの作製と圧電応答評価。
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| Causes of Carryover |
つくばへの旅費の一部を別予算で拠出可能になり、余剰金が発生したためである。電極原料であるAu線や単結晶基板などに拠出する予定である。
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