原子直視法によるサブ10nm級局所融解加工の開発

• 研究課題/領域番号: 21K18683
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分19:流体工学、熱工学およびその関連分野
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 木塚 徳志 筑波大学, 数理物質系, 教授 (10234303)
• 研究期間 (年度): 2021-07-09 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円); 2023年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2022年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2021年度: 4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)
• キーワード: ナノメートル加工 / ナノメートル物質 / 融解 / 溶接 / 接合 / 相変態 / 電子顕微鏡 / その場観察

研究開始時の研究の概要

孤立したナノ物質を集積体に個別に組み入れる技術が確立していないという、ナノ物質工学では深刻な問題を解決するため、ナノ物質を加熱・融解してその構造を制御する技術を開発する。具体的には、ナノ物質を、ナノ物質全体ではなく、その一部であるナノ物質内の10nm以下の局所領域を加熱し、（１）相制御、（２）接合、もしくは、（３）溶接（融解と接合）する。もしくは、ナノ物質全体を加熱し、表面と内部の局所構造だけを制御する。この過程におけるナノ物質の原子配列と元素、電気伝導や機械的性質などの特性の変化を、「原子直視法」を用いて「その場」で調べる。

研究成果の概要

ナノメートルサイズの物質や構造を加熱してその構造を制御する技術を開発した。ナノメートルサイズの接点などのナノ構造にパルス波を印加し、10nm以下の局所領域を加熱して、融解、相変態や溶接などの加工を行った。これらの加工におけるナノ構造の構造ダイナミックスを、透過電子顕微鏡格子像法によって原子レベルでその場で観察し、加工条件と構造変化の関係を調べた。また、カーボンや金属などの薄膜やナノメートルサイズの物質をレーザ加熱したときの相変態、粒成長や運動などを、同じ手法でその場で観察した。こうした原子直視型解析をもとにして、サブ10nm級局所融解加工法を開発した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

これまでに様々なナノメートルサイズの粒子や構造、例えば、原子クラスター、フラーレン分子、ナノチューブやナノメートル接点などが発見されて、その実用化が期待されてきた。こうした粒子や構造を素子として機能させるためには、これらを加工し、集積化する必要がある。本研究では、こうした加工ができる局所的な加熱技術を、透過電子顕微鏡法をもとに開発し、ナノメートルサイズの金属接点などに応用した。