2016 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, 先端科学技術研究科, 教授 (90372458)
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| Project Period (FY) |
2013-05-31 – 2018-03-31
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| Keywords | ナノマシン / マイクロ・ナノデバイス / ナノ材料 / 電子デバイス・機器 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
グラフェンNEMSセンサー開発においては、トップゲート型グラフェンナノリボンセンサー素子（長さ９００ ｎｍ、幅５００ ｎｍ）を作製し、その共振周波数特性を評価した結果、周波数８６ ＭＨｚに基準振動ピークを、また１７２ ＭＨｚに第二高調波ピークをそれぞれ観測することに成功した。得られた共振周波数は、サスペンデッド・グラフェンナノリボンの機械的スイッチング電圧（プルイン電圧）から求めたばね定数を用いて算出した共振周波数の計算値に良く合うことを見出した。また、この質量検出型センサー素子と電荷検出型センサー素子を、同一グラフェン膜上に集積化する基本プロセスを開発した。さらに、８種類の環境ガス導入ポートを備えた環境制御型マイクロ真空チャンバプローブシステムを構築し、その基本動作確認を行った。
グラフェンNEMSスイッチ素子開発においては、グラフェン－グラフェンコンタクト型およびグラフェン－六方晶窒化ホウ素（h-BN）膜コンタクト型NEMSスイッチ２種類の素子を開発した。双方のスイッチともに、２Ｖ以下の低電圧スイッチオン動作、および約１Ｖでの急峻かつ安定したスイッチオフ動作を示し、電流のオン・オフ比～５桁を達成することに成功した。
原子分解能走査透過型電子顕微鏡内で電気測定を行う特殊TEMホルダーを開発し、極細サスペンデッドグラフェン上に発生した点欠陥が原因となって、炭素単原子チェーンが形成されるダイナミック過程を世界で初めて観察することに成功した。
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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
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）を組み合わせることが必須と考えていたが、これまでの研究の結果、電荷移動検出方式のみでも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。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選択性を大きく向上させる可能性が大きい。質量変化検出方式と吸着分子振動スペクトル検出方式）についても、それぞれ、GNEMS振動子の共振スペクトル基本特性の観測、低周波領域におけるGNEMSチャネルのノイズスペクトル特性の観測、を達成しており、ほぼ当初の計画通りに研究が進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
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・高機能GNEMSセンサーを開発する。質量変化検出方式においては、ゼプトグラム／Hzレベルの超高感度質量検出を達成する。分子振動スペクトル検出方式においては、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スペクトル測定を組み合わせて、複数の吸着分子の分離同定を実現する。
グラフェン－グラフェンおよびグラフェン－h-BNコンタクト型GNEMSスイッチでは、繰り返し動作に対する信頼性、およびスイッチオン・オフ電圧の安定性を評価するとともに、双安定型GNEMSスイッチを開発し、不揮発性型スイッチング動作を実現する。さらに超高感度GNEMSセンサー素子とパワーマネジメントGNEMSスイッチ素子を同一グラフェン膜上に集積化する。
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Research Products
(48 results)
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[Presentation] アトミックカーボンチェン形成過程のその場TEM観察2017
Author(s)
張 暁賓, 岩下 晋也, Marek Schmidt, Manoharan Muruganathan, 水田 博, 大島 義文
Organizer
第64回応用物理学会春季学術講演会
Place of Presentation
パシフィコ横浜（神奈川県・横浜市）
Year and Date
2017-03-14 – 2017-03-17
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[Presentation] Study of Stability of A-few-donor Quantum Dots with Different Configurations for Room-Temperature Single-Electron Tunneling Operation2017
Author(s)
KM Tarik Hasan, Arup Samanta, Adnan ,Afiff, Le The Anh, Muruganathan Manoharan, Masahiro Hori, Yukinori Ono, Hiroshi Mizuta, Michiharu Tabe, Daniel Moraru
Organizer
第64回応用物理学会春季学術講演会
Place of Presentation
パシフィコ横浜（神奈川県・横浜市）
Year and Date
2017-03-14 – 2017-03-17
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[Presentation] Interaction of gas field ionized nitrogen with silicon2017
Author(s)
Marek Edward Schmidt, Xiaobin Zhang, Yoshifumi Oshima, Le The Anh, Anto Yasaka,Teruhisa Kanzaki, Manoharan Muruganathan, Masashi Akabori, Tatsuya Shimoda, Hiroshi Mizuta
Organizer
第64回応用物理学会春季学術講演会 シンポジウム「GFIS（電界電離ガスイオン源）ガスイオン顕微鏡技術とその材料・デバイス研究開発への応用：現状と今後の展望」
Place of Presentation
パシフィコ横浜（神奈川県・横浜市）
Year and Date
2017-03-14 – 2017-03-17
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[Presentation] Graphene NEMS-based sensors and switches2016
Author(s)
M. Muruganathan, J. Sun, J. Kulothungan and H. Mizuta
Organizer
Nanoelectronics & Nanotechnology Group Annual Conference 2016 "Sensors"
Place of Presentation
サザンプトン（イギリス）
Year and Date
2016-07-01 – 2016-07-01
Int'l Joint Research
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