2015 Fiscal Year Annual Research Report
集積グラフェンNEMS複合機能素子によるオートノマス・超高感度センサーの開発
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25220904
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| Research Institution | Japan Advanced Institute of Science and Technology |
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Principal Investigator |
水田 博 北陸先端科学技術大学院大学, マテリアルサイエンス研究科, 教授 (90372458)
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| Project Period (FY) |
2013-05-31 – 2018-03-31
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| Keywords | 先端機能デバイス / ナノマシン / マイクロ・ナノデバイス / １分子計測 / 電子デバイス・機器 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
グラフェンNEMS(GNEMS)センサー開発においては、両持ち梁型２層グラフェン梁チャネルと下部金電極を有するGNEMS素子を用いて、単一CO2分子の吸着・脱離過程の測定に成功した。あらかじめグラフェン梁を下部電極にプルインさせて、引張り応力を印加した斜め梁チャネルを形成した。測定チャンバー内に導入した非常に希薄なCO2ガス分子（分子個数濃度として約30 ppb）を短時間でグラフェン梁表面に物理吸着させるため、基板から電界を印加してCO2分子の吸着を加速する工夫を行った。その結果、グラフェンチャネルの電気抵抗の時間変化に、単一CO2分子の吸着・脱離に伴う量子化した抵抗の増減が観測された。観測した現象の詳細な理論解析を行うため、分子‐グラフェン間のファンデルワールス力を取り入れた密度汎関数法(vdW-DFT)第一原理シミュレーションを行った結果、外部電界印加時におけるCO2分子‐グラフェン間の電荷移動、CO2分子内に生ずる微小分極にともなうグラフェンチャネル内キャリアのリモートクーロン散乱による抵抗変化が、観測された量子化抵抗変化値と良く一致することを見出した。
GNEMSスイッチ開発においては、SiO2膜上に直接成長した大面積ナノ結晶グラフェン(NCG)膜上に、両持ち梁GNEMSスイッチアレイを試作した。安定したプルイン・プルアウトの繰り返し動作を検証すると同時に、測定されたプルイン電圧の梁長さ依存性から、NCG膜のヤング率を抽出したところ、結晶グラフェンの値(1.1 TPa)と比較して、わずか33%低い値(0.74 TPa)であることを見出した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
研究計画を作成した当初、希薄環境ガスの単分子検出を実現するためには、提案する３つの検出原理のうち、少なくとも①電荷移動検出(検出方式１)と②質量変化検出（検出方式２）を組み合わせる必要があると考えていたが、これまでの研究の結果、電荷移動検出方式のみで単分子検出が可能であり、さらに基板電界強度依存性から吸着分子種の同定も可能であることを見出すことに成功した。これは当初の技術的予想を上回る結果であり、今後、この検出方式に、質量変化検出方式および吸着分子振動スペクトル検出方式（検出方式３）を組み合わせることで、環境センサーとしての検出精度と信頼性、および複数分子種が混在した場合に対するselectivityを大きく向上させる可能性が大きい。
また、吸着分子の検出感度を一層向上させるためには、GNEMSチャネルの幅を微細化することが有効であるが、平成27年度、収束ヘリウムイオンビーム（ビーム径<1.0 nm）を用いて、あらかじめサスペンデッド状態に準備したグラフェン２層梁を幅約5.7 nmまで極細化し、その電気特性を測定することに成功した。シングルナノメータ幅GNEMSが動作した成果は、当初計画を超える成果である。
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| Strategy for Future Research Activity |
Ｈ２７年度に得られた主要成果（①電荷移動検出方式でのCO2単一分子検出成功、②超低電圧GNEMSスイッチング）を最大限に利用して、より高精度・高性能・低消費電力のGNEMSセンサーシステム実現に向けて研究を推進する。GNEMセンサー開発においては、これまでに構築した電荷移動検出方式と、質量変化検出方式を複合化した高性能GNEMSセンサーを開発する。また、すでに立ち上げているGNEMS低周波ノイズ測定系を用いて、非弾性散乱輸送スペクトロスコピー測定と、周波数ドメインでの1/fノイズスペクトル測定を組み合わせて、複数の吸着分子種の分離同定を行う。
GNEMSスイッチ開発においては、グラフェン‐グラフェンコンタクト型GNEMSスイッチを開発し、安定的繰り返しスイッチング動作を達成する。また２制御ゲート構造GNEMS双安定型スイッチを設計・作製し、準エネルギー可逆型スイッチング動作の可能性を検証する。これらのタスクと並行して、原子分解能走査透過型電子顕微鏡によるGNEMSのエッジ・欠陥・分子吸着など微視的分析を実施する。高解像度TEM観察と電気測定を同時に行う特殊なTEMホルダーを試作し、原子スケール構造と電気特性の相関を解明する。
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[Presentation] Graphene-based Nanoelectromechanical (NEM) Switch2016
Author(s)
J. Sun, M. E. Schmidt, M. Muruganathan, and H. Mizuta
Organizer
KAUST-NSF Research Conference on Electronic Materials, Devices and Systems for Sustainable Future 2016
Place of Presentation
Thuwal（Saudi Arabia）
Year and Date
2016-03-14 – 2016-03-16
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] NEMS技術とフォノンエンジニアリング2015
Author(s)
Hiroshi Mizuta, Ohta Takechi, Takuya Iwasaki, Marek E. Schmidt, Jian Sun, Yoshishige Tsuchiya, Stuart Boden, Mikio Koyano and Manoharan Muruganathan
Organizer
応用電子物性分科会研究例会「フォノンエンジニアリングの現状と展望」
Place of Presentation
金沢工業大学虎ノ門キャンパス（東京都港区）
Year and Date
2015-11-25 – 2015-11-25
Invited
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