金属酸化物表面反応の瞬時加熱制御によるCMOS分子センサの創出

• 研究課題/領域番号: 17H04927
• 研究種目: 若手研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 電子デバイス・電子機器
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 高橋 綱己 九州大学, 先導物質化学研究所, 学術研究員 (60724838)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 23,790千円 (直接経費: 18,300千円、間接経費: 5,490千円); 2019年度: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円); 2018年度: 8,060千円 (直接経費: 6,200千円、間接経費: 1,860千円); 2017年度: 11,310千円 (直接経費: 8,700千円、間接経費: 2,610千円)
• キーワード: 金属酸化物半導体 / 分子センサ / 単結晶金属酸化物ナノワイヤ / 界面抵抗 / 金属酸化物 / CMOS / シリコンナノワイヤ / センサ / 金属酸化物ナノワイヤ / シリコンCMOS

研究成果の概要

本研究は，大気中のガス分子を電気信号として検出する，小型・低消費エネルギーな分子センサの実現に向けて，ナノスケールの金属酸化物材料を用いたデバイスの課題抽出と解決に取り組んだ．ナノ金属酸化物分子センサでは，センサ性能の長期安定性が特に問題となっていることに着目し，表面物性制御や界面材料設計技術を駆使して従来構造・材料のデバイスに比べて遙かに長期間安定的に動作するセンサデバイスを創製した．

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究の成果は，これまで病院で検査を行う必要があった健康状態のモニタリングをスマートフォン等に搭載されたSoC（ICチップ）で実現する基盤技術の確立につながり，今後ますますIoT（Internet of Things）化に向かう社会に与えるインパクトはきわめて大きい．また，本研究で開発したデバイス性能の長期安定化手法は，センサに限らず多様な機能物性を有する金属酸化物の幅広い応用展開に有用な知見である．

研究成果

• [国際共同研究] Huazhong University(中国)
• [雑誌論文] Redox-Inactive CO2 Determines Atmospheric Stability of Electrical Properties of ZnO Nanowire Devices through a Room-Temperature Surface Reaction (2019)
  • 著者名/発表者名: Nakamura Kentaro、Takahashi Tsunaki、Hosomi Takuro、Seki Takehito、Kanai Masaki、Zhang Guozhu、Nagashima Kazuki、Shibata Naoya、Yanagida Takeshi
  • 雑誌名: ACS Applied Materials & Interfaces 巻: 11 号: 43 ページ: 40260-40266
  • DOI: 10.1021/acsami.9b13231
  • 査読あり
• [雑誌論文] Unusual Oxygen Partial Pressure Dependence of Electrical Transport of Single-Crystalline Metal Oxide Nanowires Grown by the Vapor?Liquid?Solid Process (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Anzai, T. Takahashi, M. Suzuki, M. Kanai, G. Zhang, T. Hosomi, T. Seki, K. Nagashima, N. Shibata and T. Yanagida
  • 雑誌名: Nano Letters 巻: 19 号: 3 ページ: 1675-1681
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b04668
  • 査読あり
• [雑誌論文] Thermal Conductivity of Si Nanowires with modulated Dopant Distribution by Self-heated 3w Method and Its Length Dependence " (2018)
  • 著者名/発表者名: F. W. Zhuge, T. Takahashi, M. KanaiK. Nagashima, G. Meng, Y. He, N. Fukata, K. Uchida and ＊T. Yanagida
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 124 号: 6 ページ: 065105-065105
  • DOI: 10.1063/1.5039988
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 結晶成長の空間選択性に基づいた単結晶金属酸化物ナノワイヤの創製とナノデバイス展開 (2018)
  • 著者名/発表者名: 柳田剛，長島一樹，高橋 綱己
  • 雑誌名: 応用物理 巻: 87 ページ: 29-33
  • NAID: 130007715556
• [雑誌論文] Long-Term Stability of Oxide Nanowire Sensors via Heavily Doped Oxide Contact (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Zeng, T. Takahashi, M. Kanai, G. Zhang, H. Yong, K. Nagashima and T. Yanagida
  • 雑誌名: ACS Sensors 巻: 2 号: 12 ページ: 1854-1859
  • DOI: 10.1021/acssensors.7b00716
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] 単結晶金属酸化物ナノワイヤ分子センサ (2017)
  • 著者名/発表者名: 高橋綱己，長島一樹，柳田剛
  • 雑誌名: ケミカルエンジニヤリング 巻: 62 ページ: 798-803
• [学会発表] Nanoelectronics of single-crystalline metal oxide nanowires: Fundamentals and sensor applications (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Takahashi, H. Anzai, H. Zeng, M. Kanai, T. Hosomi, G. Zhang, K. Nagashima, and T. Yanagida
  • 学会等名: Seoul National University - Kyushu University Joint Symposium on Materials Chemistry and Engineering
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Electrical degradation of ITO contact electrodes on metal oxide nanowires (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Zeng, T. Takahashi, M. Kanai, G. Zhang, T. Hosomi, K. Nagashima, and T. Yanagida
  • 学会等名: International School and Symposium on Nanoscale Transport and phoTonics 2019 (ISNTT)
  • 国際学会
• [学会発表] Sequential compensation effect of anion/cation vacancies on thermal stability of electric conductivity of Al-doped ZnO nanofilms (2019)
  • 著者名/発表者名: R. Yan, T. Takahashi, M. Kanai, T. Hosomi, G. Zhang, K. Nagashima, and T. Yanagida
  • 学会等名: Materials Research Meeting 2019
  • 国際学会
• [学会発表] 有機分子修飾による単結晶金属酸化物ナノワイヤ表面反応制御 (2019)
  • 著者名/発表者名: 清水將博，高橋綱己，細見拓郎，張国柱，金井真樹，長島一樹，柳田剛
  • 学会等名: 第10回分子アーキテクトニクス研究会
• [学会発表] 単結晶酸化物ナノワイヤデバイスの界面設計 (2019)
  • 著者名/発表者名: 高橋綱己
  • 学会等名: 第8回酸化物研究の新機軸に向けた学際討論会
  • 招待講演
• [学会発表] 大気中分子－ZnOナノワイヤ/Pt界面間相互作用の解明に基づくデバイス特性の高信頼化 (2019)
  • 著者名/発表者名: 中村健太郎，高橋綱己，金井真樹，Z. Guozhu，細見拓郎，長島一樹，柳田剛
  • 学会等名: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] VLS法ナノワイヤ結晶成長界面設計による単結晶金属酸化物ナノ構造体の表面特性制御 (2019)
  • 著者名/発表者名: 安西宇宙，高橋綱己，細見 拓郎，金井真樹，Z. Guozhu，長島一樹，柳田剛
  • 学会等名: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Long-term stability of oxide nanowire sensors via heavily-doped oxide contact (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Zeng, T. Takahashi, M. Kanai, G. Zhang, Y. He, K. Nagashima and T. Yanagida
  • 学会等名: The First Int. Joint Symp. CEFMS-NCTU
  • 国際学会
• [学会発表] 水熱合成ZnOナノワイヤ/Pt界面電気抵抗の長期安定化 (2018)
  • 著者名/発表者名: 中村健太郎，高橋綱己，安西宇宙，Z. Guozhu，金井真樹，長島一樹，柳田剛
  • 学会等名: 分子・物質合成プラットフォーム平成30年度シンポジウム
• [学会発表] 酸化物ナノワイヤに対するITOコンタクト電極劣化特性の解明 (2018)
  • 著者名/発表者名: Zeng Hao，高橋綱己，金井真樹，Zhang Guozhu，細見拓郎，長島一樹，柳田剛
  • 学会等名: 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 供給酸素分圧による単結晶金属酸化物ナノワイヤの導電性・結晶成長界面の変調効果 (2018)
  • 著者名/発表者名: 安西宇宙，鈴木将，高橋綱己，金井真樹，Zhang Guozhu，細見拓郎，長島一樹，柳田剛
  • 学会等名: 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Long-term stability of hydrothermal ZnO nanowire/Pt junctions (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Nakamura，T. Takahashi，M. Kanai，G. Zhang，T. Hosomi，K. Nagashima，T. Yanagida
  • 学会等名: 第37回電子材料シンポジウム
• [学会発表] 大気中分子－ZnOナノワイヤ/Pt界面間相互作用の解明に基づくデバイス特性の高信頼化 (2018)
  • 著者名/発表者名: 中村健太郎，高橋綱己，金井真樹，Z. Guozhu，細見拓郎，長島一樹，柳田剛
  • 学会等名: 平成30年度応用物理学会九州支部学術講演会
• [学会発表] Anomalous Oxygen Role at the Interface between ITO and Single Crystalline Metal Oxide Nanowires (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Zeng，T. Takahashi，M. Kanai，G. Zhang，T. Hosomi，K. Nagashima，T. Yanagida
  • 学会等名: 平成30年度応用物理学会九州支部学術講演会
• [学会発表] Systematic study on thermal stability of electrical characteristics of Al doped ZnO formed by pulsed laser deposition method (2018)
  • 著者名/発表者名: R. Yan，T. Takahashi，M. Kanai，G. Zhang，T. Hosomi，K. Nagashima，T. Yanagida
  • 学会等名: 平成30年度応用物理学会九州支部学術講演会
• [学会発表] 大気中分子とZnOナノワイヤ表面の相互作用抑制によるデバイス特性の長期安定化 (2018)
  • 著者名/発表者名: 中村健太郎，高橋綱己，金井真樹，Z. Guozhu，細見拓郎，長島一樹，柳田剛
  • 学会等名: 第4回ナノ分析化学討論会
• [学会発表] SAM修飾ZnOナノワイヤ表面における分子吸着・反応の検証 (2018)
  • 著者名/発表者名: 清水將博，高橋綱己，細見拓郎，金井真樹，Z. Guozhu，長島一樹，柳田剛
  • 学会等名: 第4回ナノ分析化学討論会
• [学会発表] Dopant incorporation at two crystal growth interfaces in vapor-liquid-solid process of metal oxide nanowires (2018)
  • 著者名/発表者名: Z. Zhu, K. Nagashima, T. Takahashi, M. Kanai, H. Anzai, G. Zhang and T. Yanagida
  • 学会等名: 2018 IMCE International Symposium
  • 国際学会
• [学会発表] Impacts of Thermal Annealing on Electrical Properties of Hydrothermally Grown ZnO Nanowires: Nanowire Resistivity, Contact Resistance and Their Long-term Stability (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Nakamura, T. Takahashi, H. Anzai, D. Sakai, Z. Guozhu, M. Kanai, K. Nagashima and T. Yanagida
  • 学会等名: IRCCS-JST CREST Joint Symp. “Chemical Sciences Facing Difficult Challenges” IRCCS The 1st Int. Symp., The 2nd Base Metal Catalysis Symp.
  • 国際学会
• [学会発表] 雰囲気制御熱処理によるZnOナノワイヤ物性および電気特性の長期安定化 (2018)
  • 著者名/発表者名: 中村健太郎，高橋綱己，安西宇宙，Z. Guozhu，金井真樹，H. Yong，長島一樹，柳田剛
  • 学会等名: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 気液固法による単結晶金属酸化物ナノワイヤにおける電子輸送特性の結晶成長界面依存性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 安西宇宙，高橋綱己，Z. Guozhu，金井真樹，長島一樹，柳田剛
  • 学会等名: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] ナノ界面設計による酸化物ナノワイヤ分子センサの高信頼化 (2018)
  • 著者名/発表者名: 高橋綱己，H. Zeng，中村健太郎，金井真樹，Z. Guozhu，長島一樹，柳田剛
  • 学会等名: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Improvements in Crystallinity and Long-term Stability of Hydrothermally Grown ZnO Nanowires via Atmosphere-controlled Annealing (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Nakamura, T. Takahashi, H. Anzai, D. Sakai, M. Kanai, K. Nagashima and T. Yanagida
  • 学会等名: The 19th Cross Straits Symp. on Energy and Environmental Science and Technology (CSS-EEST19)
  • 国際学会
• [学会発表] Influence of Seed Layers on Crystallinity of Metal Oxide Nanowires Grown by Hydrothermal Synthesis (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Nakamura, T. Takahashi, H. Anzai, D. Sakai, M. Kanai, K. Nagashima and T. Yanagida
  • 学会等名: The 19th Cross Straits Symp. on Energy and Environmental Science and Technology (CSS-EEST19)
  • 国際学会
• [学会発表] Long-term stability of oxide nanowire sensors via heavily-doped oxide contact (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Zeng, T. Takahashi, M. Kanai, G. Zhang, Y. He, K. Nagashima and T. Yanagida
  • 学会等名: The 19th Cross Straits Symp. on Energy and Environmental Science and Technology (CSS-EEST19)
  • 国際学会
• [学会発表] Highly stable heavily-doped oxide contacts on oxide nanowires: Reliable low contact resistance and enhancement of long-term sensor response (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Zeng, T. Takahashi, K. Nagashima, and T. Yanagida
  • 学会等名: Int. Conf. Solid State Devices and Mater.
  • 国際学会
• [学会発表] Heavily-doped oxide contact toward highly reliable nanowire sensors (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Zeng，T. Takahashi，M. Kanai，G. Zhang，Y. He，K. Nagashima，T. Yanagida
  • 学会等名: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 単結晶金属酸化物ナノワイヤにおける結晶成長雰囲気が及ぼす電子輸送特性の結晶成長界面依存性 (2017)
  • 著者名/発表者名: 安西宇宙，高橋綱己，Z. Guozhu，金井真樹，H. Yong，長島一樹，柳田剛
  • 学会等名: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 高不純物濃度酸化物コンタクトによるナノワイヤ分子センサの高信頼化 (2017)
  • 著者名/発表者名: 高橋綱己，H. Zeng，金井真樹，Z. Guozhu，H. Yong，長島一樹，柳田剛
  • 学会等名: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 水熱合成法における核形成層制御による金属酸化物ナノワイヤの結晶性向上 (2017)
  • 著者名/発表者名: 中村健太郎，高橋綱己，安西宇宙，酒井大樹，Z. Guozhu，金井真樹，H. Yong，長島一樹，柳田剛
  • 学会等名: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 金属酸化物ナノワイヤ表面吸着分子の静電ポテンシャル制御による脱離 (2017)
  • 著者名/発表者名: 中林賢太郎，高橋綱己，安西宇宙，H. Yong，Z. Guozhu，金井真樹，長島一樹，柳田剛
  • 学会等名: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [備考] 九州大学プレスリリース
  • URL: https://www.kyushu-u.ac.jp/ja/researches/view/191