2013 Fiscal Year Research-status Report
機能集積ハイドロゲル素子作製のためのナノ・マイクロ加工プロセス
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23560856
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
島本 直伸 独立行政法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, 客員研究員 (50386629)
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| Keywords | ハイドロゲル / ナノ・マイクロ / 微細加工 / ナノフォトニクス |
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| Research Abstract |
本研究の目的は、ウエット＆フレキシブル材料としてデバイスなどへの応用が期待されているハイドロゲル材料に対し、新規の微細加工方法開発することによりこれまで実現不可能であったハイドロゲルを利用したナノ・マイクロシステムを構築することである。
主には、Au薄膜で作製した微細構造をハイドロゲル上に転写・貼付けする技術を発展させ、研究を展開した。マイクロメートルスケールのパターンによる体積変化現象の精密測定ではイオン種による収縮特性が異なることを見出し、イオンセンサーとしての可能性を示すことができた。さらに、ゲルの膨潤・収縮により金マイクロパターン間の隔絶と接触により動作する電気的なスイッチデバイスの作製にも成功した。ナノメートルスケールでのパターン転写とその応用では、まず240 nmのドットパターンを可視光領域の波長に干渉する周期で配置させた構造を作製し、その光学特性を観測した。その結果、ハイドロゲル表面で良好な構造発色確認でき、膨潤・収縮でこの構造色の明確な変化が確認できた。また、その吸収スペクトルの測定結果から変調可能なフォトニッククリスタル特性を示し、光学的機能素子としての可能性も示すことができた。さらに、100 nm以下の金属ドットパターンについて同様にハイドロゲル状に転写できることを確認でき、その応用については現在も検討を行っている。ハイドロゲルを構成する高分子の特性に関しては、ポリアクリル酸以外についても検討を行い、Au薄膜の転写・接合性の確認を行った。その結果、カルボキシル基を有するハイドロゲルで良好な特性が得られることが分かった。これは、本研究のように金属ナノ・マイクロ構造とハイドロゲルの複合化による機能性材料やデバイス等を作製するうえで重要な知見となった。
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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
研究の初年度において、高分子ハイドロゲル上へ真空蒸着で作製した金属薄膜を貼付け転写させる方法を確立した。これは、次年度以降に続く微細加工パターン作製のための基本プロセスとなった。その結果として、高分子ハイドロゲル上へ金属微細構造の作製もマイクロメートルスケールからナノメートルスケールに順次進展させることができた。また、ハイドロゲル特有のウエットで柔軟な特性と正確に制御された微細構造パターンによる様々な機能を見出すことができた。ハイドロゲルのナノスケール体積変化測定等の高精度計測や変調可能なフォトニッククリスタル光学特性等のナノフォトニクス物性と研究展開できる課題を見出すことができ、ハイドロゲルとナノ構造により機能集積の可能性を示せた。これより、本研究はほぼ順調に進展させることができたといえる。
一方で、ナノ構造金属パターンによる構造色特性や光学吸収特性では、物性のマクロ表現やデバイス化応用などでは比較的広い面積でナノスケールでのパターン作製すること必要であることが分かった。今年度まで利用していた電子線描画によるパターン作製では充分に対応できないことがわかり、進展が一部で停滞した。この対策としては、別の露光技術による大面積ナノパターンの作製を採用すべく現在も準備を進めているところである。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究では、ソフト＆ウエットマテリアルである高分子ハイドロゲルの表面に無機物質である金属薄膜を貼付け・転写による方法で接合する方法を開発した。これにより有機高分子と金属といった全くの異種と言いて良い物質を複合化できるとようになった。しかも本技術では、ナノ～マイクロメートルスケールで金属薄膜パターン構造を高分子ハイドロゲル上に設計通りに作製することが可能である。このようなナノスケールでの設計通りの微細加工を実現できる系は半導体や金属などの無機固体表面に限られているのが現状であったが、本研究により高分子材料、特にハイドロゲルといった柔軟な材料系でも実現できことを示した。これにより、高分子ハイドロゲルを利用した変調可能なナノ物性の研究やソフト＆フレキシブルデバイスの開発が期待できるようになった。よって、今後の研究の展開としては、高分子ハイドロゲルと金属・半導体を複合化したナノ・マイクロデバイスについて構想している。マイクロメートルスケールでは、ハイドロゲルの体積変形特性を利用したMEMSなどが考えられる。また、ウエットな特性を利用したイオンを利用した電気化学的な物性の探索も考えたい。それらを統合し、集積回路化することも最終的な目標に挙げられる。さらに、ナノメートルスケールでは、これまでの光学物性だけでなくハイドロゲル中に導入したイオンとの相互作用などを量子物性研究の展開も期待できる。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
平成２５年度に、ハイドロゲル上に作製した微細構造パターンによるデバイス作製の研究展開を行う予定であったが、ナノメートルスケールの金属薄膜パターンにした場合、ハイドロゲルの膨潤・収縮の体積変化に応答した変調可能なフォトニッククリスタル特性などの新規なナノフォトニクス物性が測定できることがわかり、デバイス構築のためのより正確光学物性計測の必要性が生じ予定通りの研究費の執行を行えなかった。
光学物性計測を実現するため金属パターンを大面積で高速に作製する方法について検討を行った結果、成型露光方式のEBリソグラフィシステムを活用すれば計測に必要の面積の金属ナノスケールパターンが作製できる可能性があることがわかった。このため、前述のEBリソグラフィ技術を利用しナノスケールパターンを作製し、その光学物性の計測と結果の報告・発表を次年度に行うこととし、未使用額はその経費に充てることとしたい。
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Research Products
(1 results)
