2014 Fiscal Year Research-status Report
溶液成長ZnOナノロッド圧電素子の圧電性・弾性評価と成長制御による圧電応答改善
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26790046
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
渡辺 健太郎 筑波大学, 数理物質系, 研究員 (40582078)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 圧電性半導体 / ZnO自立ナノロッド / 選択的溶液成長 / 応力下その場観察 / 単一構造評価 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
前駆体水溶液中での化学合成を原理とする溶液成長法は、圧電性半導体ZnOの自立ナノロッドをSi基板上に低温・低コストでエピタキシャル成長可能な手法である。溶液成長法によるZnO自立ナノロッドを圧電素子に応用し、高い圧電変換効率を実現するには、①弾性限界歪が大きく、②圧電電荷の取り出し効率が高い、必要がある。その為には、①結晶欠陥が少ない、②直径が一様で残留キャリア濃度が低い、ことが重要である。
我々はこれまで、フォトレジスト膜を塗布したZnO(0001)単結晶基板上に、電子線描画により成長窓配列を作製し、ZnO自立ナノロッドを任意の直径・配列で選択ホモエピタキシャル成長する技術を開発した。更に、SEMカソードルミネッセンス(CL)顕微分光装置に金属プローブ電極とナノマニピュレータを搭載した、Nanoprobe-CL装置を開発し、ZnOナノロッド自立構造の断面SEM-CL評価や、曲げ応力下その場SEM-CL評価を可能にした。Nanoprobe-CL評価により、一般的な溶液成長条件によるZnO自立ナノロッドでは、①ナノロッド内部に、酸素過少や成長島のコアレッセンス等に由来した結晶欠陥が存在し、それらを起点として、4%以上の１軸曲げ歪で破断・塑性変形すること、②ナノロッドの側面成長により、直径の不均一や残留キャリア濃度の高い領域が生じ、これらが無歪部分（＝直列抵抗）による圧電応答遅延や、残留キャリアによる圧電電荷相殺に繋がること、を見出した。
本研究は、ZnOナノロッド単体の圧電応答の検出を最終目標とする。
平成２６年度は、ZnOナノロッド成長条件の最適化、Nanoprobe-CL法の原著論文発表（ACS Nano誌 IF=12.033）、及び、ZnO基板を用いた圧電電荷検出試験を行った。
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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
１．ZnOナノロッド成長条件の最適化
フォトレジスト膜無しで電子線描画をせずに溶液成長を行うと、ZnO基板上にZnO薄膜が成長する。薄膜構造は、自立ナノロッド構造に比較して物性評価が容易であるため、これを適宜、ナノロッドの成長条件出しに用いた。まず、前駆体溶液濃度をオーダーで大きく変えて、ZnO薄膜の成長モードをSEM／AFMで、結晶性を面内XRD法で、残留キャリア濃度をバンド端キャリア再結合発光のCL顕微分光／４端子抵抗測定で、中間生成物であるZn(OH)2による残留-OH基をRaman分光／XPS分光で評価した。結果、薄膜は単結晶エピタキシャル膜であること、残留キャリアが-OH基に由来した水素ドナーに因ること、前駆体溶液の過飽和度を下げた場合、層成長モードが実現するだけでなく、ZnO(0001)基板の表面分子層ステップ近傍で成長が優先的に起こり、その近傍では成長が抑制されること、同時に薄膜の残留キャリア濃度も大きく低減されること、も分かった。よって、従来法より過飽和度を下げ、成長窓間隔を十分取ることとした。
２．Nanoprobe-CL装置をベースとした単一ナノロッドの応力‐歪特性・圧電特性評価技術の開発
Nanoprobe-CL装置に応力センサを導入し、自立ナノロッドの応力‐歪特性を評価可能にした。ZnO自立ナノロッドへ曲げ応力を印加しながら、その場で破断・塑性変形評価・歪-バンドギャップシフトの評価を行った。本研究結果について、原著論文発表を行った（ACS Nano誌 IF=12.033）。
また、Nanoprobe-CL装置に於いて、金属電極プローブにより市販のZnO(0001)基板表面にパルス圧力を印加し、基板電極との間で電流計測を行った。結果、圧電電荷由来の電流パルスの検出に成功した。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成２７年度は以下の指針で研究を行う。
１．層成長モードによるZnO自立ナノロッドの成長技術の開発と電気特性評価
２．ZnO自立ナノロッド配列の圧電デバイス作製と、その圧電電荷検出評価
３．ZnO自立ナノロッド単体からの圧電電荷検出
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| Causes of Carryover |
購入した応力センサシステムの価格が、当初の見積額より下がったため、余剰額が生じた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
平成２７年度は研究費の用途を以下のように考えている。
電子線描画・デバイスプロセス等を行う為の共用設備の利用料、原著論文投稿料、学会参加費、旅費、溶液成長条件評価の為のpHメータ、等。
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