MEMS技術に基づく応力制御によるダイヤモンドのバンドエンジニアリング

• Project/Area Number: 22K18957
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 28:Nano/micro science and related fields
• Research Institution: National Institute for Materials Science
• Principal Investigator: 廖 梅勇 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 電子・光機能材料研究センター, 主席研究員 (70528950)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 小泉 聡 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, グループリーダー (90215153) ; SANG Liwen 国立研究開発法人物質・材料研究機構, ナノアーキテクトニクス材料研究センター, 主幹研究員 (90598038)
• Project Period (FY): 2022-06-30 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000); Fiscal Year 2024: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000); Fiscal Year 2023: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000); Fiscal Year 2022: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
• Keywords: ダイヤモンド / NEMS / バンドエンジニアリング / MEMS

Outline of Research at the Start

本研究では、研究代表者らが十年来開発してきたMEMS（Microelectromechanical systems）技術を使用して、ダイヤモンドにおける引張ひずみを誘発し、ダイヤモンドのバンドギャップエネルギーを変調させ、ダイヤモンド中のリン（n型）またはボロン（p型）のイオン化エネルギーを減らすことにより、ダイヤモンドのドーピングの欠点を解決し、室温でも高電気伝導を実現することを目的とする。

Outline of Annual Research Achievements

本研究目的では、NEMS 技術を使用してダイヤモンド中でひずみを誘起することで、ダイヤモンドのバンドギャップを変調できるようにすることである。 令和5年度は、厚さ約600nmの単結晶ダイヤモンドカンチレバーと二重クランプ橋梁を作製した。 ダイヤモンド NEMS 構造に歪みを与えるために、酸素アニール法と酸素雰囲気中での反応性イオン エッチングの両方を使用してダイヤモンド ビームをエッチングした。 まず、ダイヤモンドNEMSビームを600℃以上の酸素アニールによりエッチングし、ダイヤモンドビーム内の欠陥を除去することで1０万以上の高い品質因子を達成した。 最終的にダイヤモンドNEMSビームを約100nmの厚さまでエッチングした。 共振周波数と品質因子の増加により、表面効果による歪みが分かった。 最大ひずみは、二重クランプ橋梁で約 100 MPa である。 さらに、ナノスケールの単結晶ダイヤモンドビームに対して静電法を用いて内部ひずみを誘起することも試みた。以上の研究結果は、ダイヤモンドのさらなるバンドギャップの可能性を示している。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

NEMSによりダイヤモンドにひずみを導入することに成功した。

Strategy for Future Research Activity

今年度はダイヤモンドにさらに大きなひずみを導入し、最終的にダイヤモンドのバンドギャップチューニングを実現することを目指す。 この目的を達成するために、以下の実験を遂行する。
(1) 単結晶ダイヤモンドエピ層の結晶品質の向上:ラマン顕微鏡によって特性評価される。
(2) より薄い(200nm厚み)単結晶ダイヤモンドエピ層を成長する。
(3) ダイヤモンドのエッチング方法をさらに最適化し、ダメージを低減する。
(4) ダイヤモンド NEMS の共振特性を評価し、1 GPa を超えるひずみを達成する。

Research Products

• [Journal Article] Higher-order resonance of single-crystal diamond cantilever sensors toward high fQ products (2024)
  • Author(s): Chen Guo、Zhang Zilong、Gu Keyun、Sang Liwen、Koizumi Satoshi、Toda Masaya、Ye Haitao、Koide Yasuo、Huang Zhaohui、Liao Meiyong
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 17 Issue: 2 Pages: 021001-021001
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ad2027
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Effect of defects on Q factors of single-crystal diamond MEMS resonators (2023)
  • Author(s): Zhang Zilong、Chen Guo、Gu Keyun、Koizumi Satoshi、Liao Meiyong
  • Journal Title: Functional Diamond Volume: 3 Issue: 1 Pages: 2221280-2221280
  • DOI: 10.1080/26941112.2023.2221280
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Disclosing the annihilation effect of ion-implantation induced defects in single-crystal diamond by resonant MEMS (2023)
  • Author(s): Chen Guo、Zhang Zilong、Koide Yasuo、Koizumi Satoshi、Huang Zhaohui、Liao Meiyong
  • Journal Title: Diamond and Related Materials Volume: 138 Pages: 110240-110240
  • DOI: 10.1016/j.diamond.2023.110240
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Unconventional Giant “Magnetoresistance” in Bosonic Semiconducting Diamond Nanorings (2023)
  • Author(s): Zhang Gufei、Zulkharnay Ramiz、Ke Xiaoxing、Liao Meiyong、Liu Liwang、Guo Yujie、Li Yejun、Rubahn Horst‐G?nter、Moshchalkov Victor V.、May Paul W.
  • Journal Title: Advanced Materials Volume: 35 Issue: 22 Pages: 2211129-2211129
  • DOI: 10.1002/adma.202211129
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] On‐chip Diamond MEMS Magnetic Sensing through Multifunctionalized Magnetostrictive Thin Film (2023)
  • Author(s): Zhang Zilong、Zhao Wen、Chen Guo、Toda Masaya、Koizumi Satoshi、Koide Yasuo、Liao Meiyong
  • Journal Title: Advanced Functional Materials Volume: 33 Issue: 27 Pages: 2300805-2300805
  • DOI: 10.1002/adfm.202300805
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effect of gas pressure on the quality-factor of single-crystal diamond micro cantilevers (2022)
  • Author(s): Chen Yinling、Sang Liwen、Koizumi Satoshi、Koide Yasuo、Liu Xiaoxi、Liao Meiyong
  • Journal Title: Diamond and Related Materials Volume: 129 Pages: 109340-109340
  • DOI: 10.1016/j.diamond.2022.109340
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] n-Type Diamond Metal-Semiconductor Field-Effect Transistor With High Operation Temperature of 300°C (2022)
  • Author(s): Shimaoka Takehiro、Liao Meiyong、Koizumi Satoshi
  • Journal Title: IEEE Electron Device Letters Volume: 43 Issue: 4 Pages: 588-591
  • DOI: 10.1109/led.2022.3156149
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Diamond as an extreme semiconductor for electronics and MEMS (2023)
  • Author(s): LIAO, Meiyong
  • Organizer: The 4th Asian Pacific Conference on Chemistry of Materials (APCCOM2023)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Effect of Energy Dissipation in Higher-Order Resonance on SCD MEMS Cantilevers Toward High fQ product (2023)
  • Author(s): 陳 果, ZHANG, Zilong, 顧 克云, KOIZUMI, Satoshi, Zhaohui Huang, LIAO, Meiyong
  • Organizer: 2023年第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] On-chip Diamond MEMS: concept and sensing applications (2023)
  • Author(s): LIAO, Meiyong
  • Organizer: European Materials Research Society (E-MRS) 2023 Fall meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Sensing the point defects by single-crystal diamond MEMS resonators (2023)
  • Author(s): 陳 果, ZHANG, Zilong, SANG, Liwen, KOIDE, Yasuo, KOIZUMI, Satoshi, Zhaohui Huang, LIAO, Meiyong
  • Organizer: The 22nd International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems (Transducers 2023)
• [Presentation] Diamond-based photodetectors (2023)
  • Author(s): LIAO, Meiyong
  • Organizer: he 6th International Workshop on Ultraviolet Materials and Devices.
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Air damping effect on the quality factor of single-crystal diamond MEMS resonators. (2022)
  • Author(s): CHEN, Yingling, SANG, Liwen, KOIDE, Yasuo, KOIZUMI, Satoshi, 劉 小晰, LIAO, Meiyong
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Effect of deep-defects on the energy dissipation of diamond MEMS resonator (2022)
  • Author(s): サン フアンイン, SANG, Liwen, KOIDE, Yasuo, KOIZUMI, Satoshi, LIAO, Meiyong
  • Organizer: 19th International Conference on Defects-Recognition, Imaging and Physics in Semiconductors (DRIP XIX)
• [Presentation] Effect of pressure on quality-factor of single-crystal diamond micro cantilevers. (2022)
  • Author(s): CHEN, Yingling, サン フアンイン, SANG, Liwen, KOIDE, Yasuo, KOIZUMI, Satoshi, Xiaoxi Liu, LIAO, Meiyong.
  • Organizer: International Conference on New Diamond and Nano Carbons (NDNC2022)
• [Presentation] Efficient etching of diamond by oxygen annealing toward high-Q factor diamond MEMS resonators. (2022)
  • Author(s): CHEN, Yingling, サン フアンイン, SANG, Liwen, KOIZUMI, Satoshi, KOIDE, Yasuo, Xiaoxi Liu, LIAO, Meiyong.
  • Organizer: E-MRS Spring Meeting 2022 https://www.european-mrs.com/advanced-carbon-materials-emrs
  • Int'l Joint Research / Invited