超多チャンネルセンサアレイによる多成分同時分子識別デバイスの創製

• 研究課題/領域番号: 18KK0112
• 研究種目: 国際共同研究加速基金(国際共同研究強化(B))
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分21:電気電子工学およびその関連分野
• 研究機関: 東京大学 (2020); 九州大学 (2018-2019)
• 研究代表者: 長島 一樹 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (10585988)
• 研究分担者: 高橋 綱己 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 特任准教授 (60724838) ; 細見 拓郎 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (40830360)
• 研究期間 (年度): 2018-10-09 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 17,940千円 (直接経費: 13,800千円、間接経費: 4,140千円); 2020年度: 5,850千円 (直接経費: 4,500千円、間接経費: 1,350千円); 2019年度: 5,850千円 (直接経費: 4,500千円、間接経費: 1,350千円); 2018年度: 6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円)
• キーワード: 金属酸化物 / センサ / 分子識別 / 揮発性分子

研究成果の概要

本研究では、多元素機能傾斜膜形成技術・ナノ微細加工技術・高速電子回路技術を融合することで、特性の異なる金属酸化物センサ素子が面内集積化された‘高堅牢性異種集積化センサアレイ’を創製し、全1024センサ素子のリアルタイム計測機能、及び多成分標的分子群の同時検出・識別機能の原理実証に成功した。加えて、堅牢な有機分子によるセンサ表面の化学特性改質へ向けて、固体表面上におけるクリック反応制御メカニズムを解明すると共に高効率反応へ向けた設計指針構築に成功した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究により、従来複雑な作製プロセスのため生じていたセンサアレイ数の限界や、少数センサ素子の誤作動などにより引き起こされるデータの信頼性低下の問題を本質的に打破する方法論を提案・実証した。素子抵抗値の制御やセンサを構成する元素数の増加、センサ応答や分子識別機能の改善など未だ多くの課題が残されているが、本研究で得られた一連の成果は、多角的な化学情報の安定的な収集・蓄積・利活用を目指す次世代の分子認識センサエレクトロニクス実現へ向けて極めて重要な知見となる。

研究成果

• [国際共同研究] タイ国立電子コンピューター技術研究センター(タイ)
• [国際共同研究] タイ国立電子コンピューター技術研究センター(タイ)
• [雑誌論文] The impact of surface Cu2+ of ZnO/(Cu1-xZnx)O heterostructured nanowires on the adsorption and chemical transformation of carbonyl compounds (2021)
  • 著者名/発表者名: J. Liu, K. Nagashima, Y. Nagamatsu, T. Hosomi, H. Saito, C. Wang, W. Mizukami, G. Zhang, B. Samransuksamer, T. Takahashi, M. Kanai, T. Yasui, Y. Baba and T. Yanagida
  • 雑誌名: Chemical Science 巻: 12 号: 14 ページ: 5073-5081
  • DOI: 10.1039/d1sc00729g
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Unusual Sequential Annealing Effect in Achieving High Thermal Stability of Conductive Al-Doped ZnO Nanofilms (2020)
  • 著者名/発表者名: R. Yan, T. Takahashi, M. Kanai, T. Hosomi, G. Zhang, K. Nagashima and T. Yanagida
  • 雑誌名: ACS Applied Electronic Materials 巻: 2 号: 7 ページ: 2064-2070
  • DOI: 10.1021/acsaelm.0c00321
  • 査読あり
• [雑誌論文] Facile Synthesis of Zinc Titanate Nanotubes via Reaction-byproduct Etching (2020)
  • 著者名/発表者名: J. Liu, K. Nagashima, H. Yoshida, T. Hosomi, T. Takahashi, G. Zhang, M. Kanai, Y. He and T. Yanagida
  • 雑誌名: Chemistry Letters 巻: 49 号: 10 ページ: 1220-1223
  • DOI: 10.1246/cl.200480
  • NAID: 130007923200
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Face-selective tungstate ions drive zinc oxide nanowire growth direction and dopant incorporation (2020)
  • 著者名/発表者名: Liu J., Nagashima K,, Yamashita H., Mizukami W,, Uzuhashi J,, Hosomi T., Kanai m., Zhao X,, Miura Yoshinori, Zhang Guozhu, Takahashi Tsunaki, Suzuki Masaru, Sakai Daiki, Samransuksamer Benjarong, He Yong, Ohkubo Tadakatsu, Yasui Takao, Aoki Yuriko, Ho Johnny C., Baba Yoshinobu, Yanagida Takeshi
  • 雑誌名: Communications Materials 巻: 1 号: 1 ページ: 58-58
  • DOI: 10.1038/s43246-020-00063-5
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Phosphonic Acid Modified ZnO Nanowire Sensors: Directing Reaction Pathway of Volatile Carbonyl Compounds (2020)
  • 著者名/発表者名: C. Wang, T. Hosomi, K. Nagashima, T. Takahashi, G. Zhang, M. Kanai, H. Yoshida and T. Yanagida
  • 雑誌名: ACS Applied Materials & Interfaces 巻: 12 号: 39 ページ: 44265-44272
  • DOI: 10.1021/acsami.0c10332
  • 査読あり
• [雑誌論文] Face-Selecive Crystal Growth of Hydrothermal Tungsten Oxide Nanowires for Sensing Volatile Molecules (2020)
  • 著者名/発表者名: S. Nekita, K. Nagashima, G. Zhang, Q. Wang, M. Kanai, T. Takahashi, T. Hosomi, K. Nakamura, T. Okuyama and T. Yanagida
  • 雑誌名: ACS Applied Nano Materials 巻: 3 号: 10 ページ: 10252-10260
  • DOI: 10.1021/acsanm.0c02194
  • 査読あり
• [雑誌論文] Oxygen-Induced Reversible Sn-Dopant Deactivation between Indium Tin Oxide and Single-Crystalline Oxide Nanowire Leading to Interfacial Switching (2020)
  • 著者名/発表者名: Zeng Hao、Takahashi Tsunaki、Seki Takehito、Kanai Masaki、Zhang Guozhu、Hosomi Takuro、Nagashima Kazuki、Shibata Naoya、Yanagida Takeshi
  • 雑誌名: ACS Applied Materials & Interfaces 巻: 12 号: 47 ページ: 52929-52936
  • DOI: 10.1021/acsami.0c16108
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Enhancement of pH Tolerance in Conductive Al-Doped ZnO Nanofilms via Sequential Annealing (2020)
  • 著者名/発表者名: R. Yan, T. Takahashi, H. Zeng, T. Hosomi, M. Kanai, G. Zhang, K. Nagashima and T. Yanagida
  • 雑誌名: ACS Applied Electronic Materials 巻: 3 号: 2 ページ: 955-962
  • DOI: 10.1021/acsaelm.0c01052
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] 分子認識エレクトロニクスへ向けたナノ界面エンジニアリング (2020)
  • 著者名/発表者名: 長島 一樹, 高橋 綱己, 細見 拓郎, 柳田 剛
  • 雑誌名: 化学工業 巻: 71 ページ: 518-524
  • NAID: 40022316803
• [雑誌論文] 「次世代のセンシング材料」ー堅牢な分子認識界面の創製ー (2020)
  • 著者名/発表者名: 23.長島 一樹, 高橋 綱己, 細見 拓郎, 柳田 剛
  • 雑誌名: 月刊MATERIAL STAGE 巻: 20 ページ: 78-83
• [雑誌論文] Improvements of Electrical Characteristics of Single-Crystalline ZnO Nanowire Field-Effect Transistors via Self-Assembled Monolayer Modification (2020)
  • 著者名/発表者名: H. Zeng, T. Takahashi, T. Hosomi, K. Nagashima, M. Kanai, G. Zhang and T. Yanagida
  • 雑誌名: Engineering Sciences Reports 巻: 41 ページ: 12-16
  • NAID: 120007053167
  • 査読あり
• [雑誌論文] Water?Organic Cosolvent Effect on Nucleation of Solution-Synthesized ZnO Nanowires (2019)
  • 著者名/発表者名: Akihiro Yuya、Nagashima Kazuki、Hosomi Takuro、Kanai Masaki、Anzai Hiroshi、Takahashi Tsunaki、Zhang Guozhu、Yasui Takao、Baba Yoshinobu、Yanagida Takeshi
  • 雑誌名: ACS Omega 巻: 4 号: 5 ページ: 8299-8304
  • DOI: 10.1021/acsomega.9b00945
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Substantial Narrowing on the Width of “Concentration Window” of Hydrothermal ZnO Nanowires via Ammonia Addition (2019)
  • 著者名/発表者名: Sakai Daiki、Nagashima Kazuki、Yoshida Hideto、Kanai Masaki、He Yong、Zhang Guozhu、Zhao Xixi、Takahashi Tsunaki、Yasui Takao、Hosomi Takuro、Uchida Yuki、Takeda Seiji、Baba Yoshinobu、Yanagida Takeshi
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 9 号: 1 ページ: 14160-14160
  • DOI: 10.1038/s41598-019-50641-y
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [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] Synthesis of Monodispersedly Sized ZnO Nanowires from Randomly Sized Seeds (2019)
  • 著者名/発表者名: Zhao Xixi、Nagashima Kazuki、Zhang Guozhu、Hosomi Takuro、Yoshida Hideto、Akihiro Yuya、Kanai Masaki、Mizukami Wataru、Zhu Zetao、Takahashi Tsunaki、Suzuki Masaru、Samransuksamer Benjarong、Meng Gang、Yasui Takao、Aoki Yuriko、Baba Yoshinobu、Yanagida Takeshi
  • 雑誌名: Nano Letters 巻: 20 号: 1 ページ: 599-605
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b04367
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] “堅い”金属酸化物無機ナノ構造を用いた“柔らかい”分子群の匂いを識別・記録するエレクトロニクス (2019)
  • 著者名/発表者名: 細見 拓郎, 高橋 綱己, 長島 一樹, 柳田 剛
  • 雑誌名: 無機マテリアル 巻: 26 ページ: 346-353
• [雑誌論文] Rational Method of Monitoring Molecular Transformations on Metal-Oxide Nanowire Surfaces (2019)
  • 著者名/発表者名: C. Wang, T. Hosomi, K. Nagashima, T. Takahashi, G. Zhang, M. Kanai, H. Zeng, W. Mizukami, N. Shioya, T. Shimoaka, Y. Aoki, J. Terao, T. Hasegawa and T. Yanagida
  • 雑誌名: Nano Lett. 巻: 19 号: 4 ページ: 2443-2449
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b05180
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Anomalous Reversible Sn-Dopant Deactivation between Indium Tin Oxide and Single-Crystalline Oxide Nanowire (2021)
  • 著者名/発表者名: 11.Hao Zeng, Tsunaki Takahashi, Takehito Seki, Masaki Kanai, Guozhu Zhang, Takuro Hosomi, Kazuki Nagashima, Naoya Shibata and Takeshi Yanagida
  • 学会等名: 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] ホスホン酸修飾を用いたナノワイヤセンサ上における標的化合物の反応経路制御 (2020)
  • 著者名/発表者名: 1.細見 拓郎, Chen Wang, 長島 一樹, 高橋 綱己, 金井 真樹, Guozhu Zhang, 柳田 剛
  • 学会等名: 第11回分子アーキテクトニクス研究会
• [学会発表] 堅牢なナノ界面と分子認識エレクトロニクス (2020)
  • 著者名/発表者名: 長島一樹, 高橋綱己, 細見拓郎, 柳田 剛
  • 学会等名: 第81回応用物理学会秋季学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] アンサンブル分子センシングによる堅牢な呼気診断法の開発 (2020)
  • 著者名/発表者名: 3.長島 一樹, Chaiyanut Jirayupat, 細見 拓郎, 高橋 綱己, Guozhu Zhang, 金井 真樹, 柳田 剛
  • 学会等名: 第81回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] ZnOナノワイヤによる官能基位置選択的な直鎖ケトンの自動酸化促進 (2019)
  • 著者名/発表者名: 細見 拓郎, 井上 暉英, 長島 一樹, 高橋 綱己, 張 国柱, 金井 真樹, 柳田 剛
  • 学会等名: 第80回応用物理学秋季学術講演会
• [学会発表] Water-Organic Cosolvent Effect on Nucleation of Solution-Synthesized ZnO Nanowires (2019)
  • 著者名/発表者名: Kazuki Nagashima, Yuya Akihiro, Takuro Hosomi, Masaki Kanai, Tsunaki Takahashi, Guozhu Zhang, Takeshi Yanagida
  • 学会等名: 第38回電子材料シンポジウム
• [学会発表] ZnOナノワイヤ上における官能基位置選択的なケトンの自動酸化メカニズムの解明 (2019)
  • 著者名/発表者名: 細見 拓郎, 井上 暉英, 長島 一樹, 高橋 綱己, 張 国柱, 金井 真樹, 塩谷 暢貴, 下赤 卓史, 長谷川 健, 柳田 剛
  • 学会等名: 分子アーキテクトニクス研究会第10回研究会
• [学会発表] クリックケミストリーを用いた金属酸化物表面に対するユニバーサルな分子修飾方法の開発 (2019)
  • 著者名/発表者名: 山口 倫門, 細見 拓郎, 長島 一樹, 高橋 綱己, 金井 真樹, 張 国柱, 柳田 剛
  • 学会等名: 分子アーキテクトニクス研究会第10回研究会
• [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, Guozhu Zhang, 金井 真樹, 長島 一樹, 柳田 剛
  • 学会等名: 分子アーキテクトニクス研究会第10回研究会
• [学会発表] Metal Oxide Nanowire Surface for Molecular Recognition (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Nagashima, T. Hosomi, T. Takahashi and T. Yanagida
  • 学会等名: The 2nd Material Research Society of Thailand International Conference (MRS-Thailand 2019)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Metal Oxide Nanowire Based Robust Molecular Recognition Electronics (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Nagashima
  • 学会等名: The 3rd International Conference on Frontier Technology Innovation (ICFTI-2019)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Post-Seed Engineering for Synthesizing Monodispersely Sized ZnO Nanowires (2019)
  • 著者名/発表者名: X. Zhao, K. Nagashima, G. Zhang, T. Hosomi, Y. Akihiro, M. Kanai, T. Takahashi, M. Suzuki, B. Samransuksamer and T. Yanagida
  • 学会等名: International School and Symposium on Nanoscale Transport and phoTonics 2019 (ISNTT2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Sequential Compensation Effect of Anion/Cation Vacancies on Thermal Stability of Electrical 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] Chemical Interaction of Volatile Aldehyde Molecules on ZnO Nanowire Surface (2018)
  • 著者名/発表者名: Chen Wang, Kazuki Nagashima, Takuro Hosomi, Guozhu Zhang, Tsunaki Takahashi, Hideto Yoshida, Masaki Kanai, Seiji Takeda, Takeshi Yanagida
  • 学会等名: 第37回電子材料シンポジウム
• [学会発表] Crucial Role of Tungstate Ions on Elemental Doping of Hydrothermal ZnO Nanowires (2018)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Yamashita, Kazuki Nagashima, Tsunaki Takahashi, Takuro Hosomi, Guozhu Zhang, Masaki Kanai, Takeshi Yanagida
  • 学会等名: 第37回電子材料シンポジウム
• [学会発表] 単結晶ナノワイヤ表面に対する分光分析を用いた酸化物表面におけるアルデヒドの化学変換経路の解明 (2018)
  • 著者名/発表者名: 細見 拓郎, Wang Chen, 長島 一樹, 高橋 綱己, 張 国柱, 金井 真樹, 水上 渉, 塩谷 暢貴, 下赤 卓史, 玉岡 武泰, 吉田 秀人, 竹田 精治, 安井 隆雄, 馬場嘉信, 青木 百合子, 寺尾 潤, 長谷川 健, 柳田 剛
  • 学会等名: 統合物質創製化学研究推進機構第4回国内シンポジウム
• [学会発表] 単結晶酸化物ナノワイヤに対する分光的測定を用いたZnO上でのアルデヒドの分子変換メカニズムの解明 (2018)
  • 著者名/発表者名: 細見 拓郎, Wang Chen, 長島 一樹, 高橋 綱己, 張 国柱, 金井 真樹, 水上 渉, 塩谷 暢貴, 下赤 卓史, 玉岡 武泰, 吉田 秀人, 竹田 精治, 安井 隆雄, 馬場嘉信, 青木 百合子, 寺尾 潤, 長谷川 健, 柳田 剛
  • 学会等名: 9th 分子アーキテクトニクス研究会
• [学会発表] 原子相互拡散法によるW-Zn-O薄膜の組成制御及び電子輸送特性評価 (2018)
  • 著者名/発表者名: 白石 悟, 長島 一樹, 細見 拓郎, 高橋 綱己, 張 国柱, 金井 真樹, 柳田 剛
  • 学会等名: 第4回ナノ分析化学討論会
• [学会発表] Spectroscopic Analysis on Single Crystalline Nanowire Surface Reveals Chemical Transformation Pathways on An Aldehyde on ZnO (2018)
  • 著者名/発表者名: C. Wang, T. Hosomi, K. Nagashima, T. Takahashi, G. Zhang, M. Kanai, H. Zeng and T. Yanagida
  • 学会等名: The 20th Cross Straits Symposium on Energy and Environmental Science and Technology (CSS-EEST20)
  • 招待講演
• [学会発表] Systematic study on thermal stability of electrical characteristics of Al doped ZnO formed by pulsed laser deposition metho (2018)
  • 著者名/発表者名: R. Yan, T. Takahashi, M. Kanai, G. Zhang, T. Hosomi, K. Nagashima and T. Yanagida
  • 学会等名: The 3rd Asian Applied Physics Conference (Asian-APC)
  • 招待講演
• [備考]
  • URL: https://knagashima.weebly.com/
• [備考] Researchmap
  • URL: https://researchmap.jp/nagashima0402