ナノNMRセンシングを可能とする高機能ダイヤモンド合成

• 研究課題/領域番号: 26249108
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 構造・機能材料
• 研究機関: 国立研究開発法人産業技術総合研究所
• 研究代表者: 渡邊 幸志 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 電子光技術研究部門, 主任研究員 (50392684)
• 研究分担者: 伊藤 公平 慶應義塾大学, 理工学部, 教授 (30276414)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2017-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2016年度)
• 配分額: 39,780千円 (直接経費: 30,600千円、間接経費: 9,180千円); 2016年度: 5,720千円 (直接経費: 4,400千円、間接経費: 1,320千円); 2015年度: 18,330千円 (直接経費: 14,100千円、間接経費: 4,230千円); 2014年度: 15,730千円 (直接経費: 12,100千円、間接経費: 3,630千円)
• キーワード: センサー / 光機能材料 / ダイヤモンド / マイクロ波プラズマ / NMR / ホモエピタキシャル成長 / ソリッドステート / 材料工学 / 機能材料 / 微細構造 / 同位体ダイヤモンド / 量子センサ / 電子スピン / 微細加工

研究成果の概要

ナノNMRセンシングを可能とする高機能ダイヤモンド合成法の開発に向け、従来のマグネトロン方式に代えて、マイクロ波プラズマCVD法によるダイヤモンド薄膜合成でほとんど試されていない高純度マイクロ波（ソリッドステート方式）に着目したホモエピタキシャルダイヤモンド薄膜合成を研究した。
薄膜合成の系統的実験により、従来のマグネトロン方式では達成できなかった結晶欠陥の抑制と高品質な極浅NVペア形成を実証するとともに、ソリッドステート方式のCVD法の特徴を明確化した。

研究成果

• [雑誌論文] Formation of Nitrogen-Vacancy Centers in Homoepitaxial Diamond Thin Films Grown via Microwave Plasma-Assisted Chemical Vapor Deposition (2016)
  • 著者名/発表者名: H. Watanabe, H. Umezawa, T. Ishikawa, K. Kaneko, S. Shikata, J. Ishi-Hayase, and K. M. Itoh
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Nanotechnology 巻: 15 号: 4 ページ: 614-618
  • DOI: 10.1109/tnano.2016.2528678
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] High density NV sensing surface created via He^(+) ion implantation of (12)^C diamond (2016)
  • 著者名/発表者名: Ed E. Kleinsasser, Matthew M. Stanfield, Jannel K.Q. Banks, Zhouyang Zhu, Wen-Di Li, Victor M. Acosta, Hideyuki Watanabe, Kohei M. Itoh, Kai-Mei C. Fu
  • 雑誌名: APPLIED PHYSICS LETTERS 巻: 108 号: 20
  • DOI: 10.1063/1.4949357
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Broadband, large-area microwave antenna for optically detected magnetic resonance of nitrogen-vacancy centers in diamond (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Sasaki, Y. Monnai, S. Saijo, R. Fujita, H. Watanabe, J. Ishi-Hayase, K.M. Itoh and E. Abe
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 87 号: 5
  • DOI: 10.1063/1.4952418
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Broadband, large-area microwave antenna for optically-detected magnetic resonance of nitrogen-vacancy centers in diamond (2016)
  • 著者名/発表者名: Kento Sasaki, Yasuaki Monnai, Soya Saijo, Ryushiro Fujita, Hideyuki Watanabe, Junko Ishi-Hayase, Kohei Itoh, and Eisuke Abe
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: in press
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Laser-Assisted Field Evaporation and Three-Dimensional Atom-by-Atom Mapping of Diamond Isotopic Homojunctions (2016)
  • 著者名/発表者名: Samik Mukherjee, Hideyuki Watanabe, Dieter Isheim, David N. Seidman, and Oussama Moutanabbir
  • 雑誌名: Nano Letters 巻: 16 号: 2 ページ: 1335-1344
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b04728
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Friction Modification by Shifting of Phonon Energy Dissipation in Solid Atoms (2015)
  • 著者名/発表者名: Seiji Kajita, Mamoru Tohyama, Hitoshi Washizu, Toshihide Ohmori, Hideyuki Watanabe, Shinichi Shikata
  • 雑誌名: Tribology Online 巻: 10 号: 2 ページ: 156-161
  • DOI: 10.2474/trol.10.156
  • NAID: 130005065514
  • ISSN: 1881-218X, 1881-2198
  • 査読あり
• [雑誌論文] Isotope engineering of silicon and diamond for quantum computing and sensing applications (2014)
  • 著者名/発表者名: K.M. Itoh and H. Watanabe
  • 雑誌名: MRS Communications 巻: 4 号: 4 ページ: 143-157
  • DOI: 10.1557/mrc.2014.32
  • 査読あり
• [学会発表] 従来の開発技術の延長線上では越えられない超高感度分析装置の実現へ (2017)
  • 著者名/発表者名: 渡邊幸志, 櫻井竜也, 伊藤公平
  • 学会等名: 新技術説明会
  • 発表場所: JST東京本部別館
  • 年月日: 2017-03-16
• [学会発表] ダイヤモンドNV量子センシングによる単一核スピン検出器の設計 (2016)
  • 著者名/発表者名: 石川豊史, 渡邊幸志, 柏谷聡,吉澤明男, 馬渡康徳
  • 学会等名: 第３０回ダイヤモンドシンポジウム
  • 発表場所: 東京大学 駒場リサーチキャンパス コンベンションホール
  • 年月日: 2016-11-17
• [学会発表] ソリッドステート方式マイクロ波源を用いたマイクロ波プラズマCVD法によるホモエピタキシャルダイヤモンド薄膜の合成 (2016)
  • 著者名/発表者名: 渡邊幸志, 石川豊史, 伊藤公平
  • 学会等名: 第30回ダイヤモンドシンポジウム
  • 発表場所: 東京大学 駒場リサーチキャンパス コンベンションホール
  • 年月日: 2016-11-16
• [学会発表] 配向制御されたダイヤモンドNV 中心を用いた交流電流センシング (2016)
  • 著者名/発表者名: 西條蒼野, 藤田留士郎, 花野郁也, 北澤清香, 渡邊幸志, 赤羽浩一, 佐々木健人, 松崎雄一郎, 早瀬潤子
  • 学会等名: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 新潟県 朱鷺メッセ
  • 年月日: 2016-09-13
• [学会発表] ダイヤモンド中NV 中心集合体のパルス光検出磁気共鳴イメージング (2016)
  • 著者名/発表者名: 岡崎睦, 渡邊幸志, 赤羽浩一, 門内靖明, 佐々木健人, 伊藤公平, 早瀬潤子
  • 学会等名: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 新潟県 朱鷺メッセ
  • 年月日: 2016-09-13
• [学会発表] 微細加工基板上に生成されたダイヤモンド中窒素空孔中心の物性評価 (2016)
  • 著者名/発表者名: 花野郁也, 藤田留士郎, 渡邊幸志, 赤羽浩一, 早瀬潤子
  • 学会等名: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 新潟県 朱鷺メッセ
  • 年月日: 2016-09-13
• [学会発表] Quantum sensing with isotopically purified 12C diamond (2016)
  • 著者名/発表者名: Kohei M. Itoh, Kento Sasaki, Hideyuki Watanabe, Eisuke Abe
  • 学会等名: ISCSI-VII/ISTDM2016
  • 発表場所: Nagoya, Japan
  • 年月日: 2016-06-08
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ダイヤモンド中窒素空孔中心集合体を用いた光検出磁気共鳴イメージング (2016)
  • 著者名/発表者名: 岡崎 睦、藤田 留士郎、渡邊 幸志,赤羽浩一,門内 靖明、伊藤公平,早瀬 潤子
  • 学会等名: 第63回応⽤物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東京工業業大学,東京都
  • 年月日: 2016-03-20
• [学会発表] 微細加工基板上化学気相成長により生成した高配向率を有するダイヤモンド中窒素空孔中心のスピン特性 (2016)
  • 著者名/発表者名: 藤田 留士郎,西條蒼野,渡邊 幸志,赤羽浩一,伊藤公平,早瀬 潤子
  • 学会等名: 第63回応⽤物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東京工業業大学,東京都
  • 年月日: 2016-03-19
• [学会発表] ダイヤモンド超格子の励起子ダイナミクス (2016)
  • 著者名/発表者名: 梅木拓也, 矢田部 翼, 片山郁文, 南康夫, 渡邊幸志, 武田淳
  • 学会等名: 第11回ナノテク交流シンポジウム
  • 発表場所: 横浜国大教育文化ホール, 横浜
  • 年月日: 2016-03-02
• [学会発表] ダイヤモンド量子センシングデバイス (2016)
  • 著者名/発表者名: 渡邊 幸志,柏谷 聡,吉澤 明男,馬渡 康徳
  • 学会等名: nano tech 2016 第15回 国際ナノテクノロジー総合展・技術会議
  • 発表場所: 東京ビッグサイト,東京都
  • 年月日: 2016-01-27
• [学会発表] Engineered nitrogen-vacancy centers in diamond for quantum (2015)
  • 著者名/発表者名: 早瀬 潤子, 渡邊 幸志,伊藤公平
  • 学会等名: EMN meeting on vacuum electronics
  • 発表場所: New York-New York Hotel & Casino, Las Vegas, USA
  • 年月日: 2015-11-23
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 微細加工(001) 基板上化学気相成長によるダイヤモンド中窒素空孔中心の生成と位置・配向制御 (2015)
  • 著者名/発表者名: 藤田 留士郎, 黒木諒, 渡邊 幸志, 赤羽浩一, 伊藤公平,早瀬 潤子
  • 学会等名: 第76回応⽤物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場, 名古屋
  • 年月日: 2015-09-15
• [学会発表] 1分子分析を実現する高感度・高空間分解能量子センサー技術 (2015)
  • 著者名/発表者名: 渡邊 幸志
  • 学会等名: VACUUM2015 真空展
  • 発表場所: パシフィコ横浜、横浜
  • 年月日: 2015-09-08
• [学会発表] Diamond growth for nanoscale NMR sensing (2015)
  • 著者名/発表者名: 渡邊 幸志、伊藤公平
  • 学会等名: Diamond Quantum Sensing Workshop 2015
  • 発表場所: かがわ国際会議場、高松市
  • 年月日: 2015-08-05
• [学会発表] Isotopically enriched 12C diamond CVD layers for NanoMRI (2015)
  • 著者名/発表者名: 伊藤公平, 渡邊 幸志, 早瀬 潤
  • 学会等名: 5th annual NanoMRI Conference
  • 発表場所: University of Waterloo, Waterloo, Canada
  • 年月日: 2015-07-27
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Control of position and orientation of nitrogen-vacancy centers in CVD-grown diamond thin film (2015)
  • 著者名/発表者名: 早瀬 潤子, 渡邊 幸志,伊藤公平
  • 学会等名: 28th International Conference on Defects in Semiconductors
  • 発表場所: Aalto University, Tampere, Finland
  • 年月日: 2015-07-27
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Isotope composition dependence of the band-gap energy in diamond (2015)
  • 著者名/発表者名: 渡邊 幸志, 是常 隆, 中島 信一, 斎藤 晋, 鹿田真一
  • 学会等名: NDNC2015
  • 発表場所: Shizuoka GRANSHIP、静岡
  • 年月日: 2015-05-27
• [学会発表] 同位体組成制御によるダイヤモンドのバンドギャップチューニング (2014)
  • 著者名/発表者名: 渡邊幸志、是常隆、中島信一、斎藤晋、鹿田真一
  • 学会等名: 第28回ダイヤモンドシンポジウム
  • 発表場所: 東京電機大学丹波ホール（東京都）
  • 年月日: 2014-11-19
• [学会発表] 新たなデバイス・材料機能として利用可能な同位体ダイヤモンド (2014)
  • 著者名/発表者名: 渡邊幸志
  • 学会等名: VACUUM2014－真空展
  • 発表場所: 東京ビッグサイト (東京都)
  • 年月日: 2014-10-15 – 2014-10-17
• [学会発表] ダイヤモンドNVセンターを用いたナノスケール NMR (2014)
  • 著者名/発表者名: 伊藤公平、早瀬潤子、渡邊幸志、鹿田真一
  • 学会等名: 第75回応用物理学会秋季学術講演会 シンポジウム
  • 発表場所: 北海道大学(北海道)
  • 年月日: 2014-09-19
• [学会発表] Simultaneous Control of Position, Density, Preferential Orientation of Nitrogen-Vacancy Centers in CVD-Grown Diamond Thin Film on Micropatterned Substrate (2014)
  • 著者名/発表者名: 金子和樹、五味朋寛、藤澤康二、渡邊幸志、梅沢仁、鹿田真一、伊藤公平、早瀬潤子
  • 学会等名: international conference on the physics of semiconductors (ICPS) 2014
  • 発表場所: Austin, Texas, USA
  • 年月日: 2014-08-12
• [学会発表] Isotope composition dependence of near-band edge cathodoluminescence in diamond (2014)
  • 著者名/発表者名: 渡邊幸志、是常隆、中島信一、斎藤晋、鹿田真一
  • 学会等名: BIAMS 12
  • 発表場所: 物質材料研究機構(つくば)
  • 年月日: 2014-06-26
• [産業財産権] ダイヤモンドを合成する方法及びプラズマ処理装置 (2022)
  • 発明者名: 渡邊幸志、佐藤和行、永塚賢治、木山信道、伊藤公平
  • 権利者名: 国立研究開発法人産業技術総合研究所、日本高周波株式会社
  • 産業財産権種類: 特許
  • 取得年月日: 2022
  • 外国
• [産業財産権] ダイヤモンドを合成する方法、マイクロ波発生装置及びプラズマ処理装置 (2016)
  • 発明者名: 渡邊幸志、佐藤和行、永塚賢治、木山信道、伊藤公平
  • 権利者名: 渡邊幸志、佐藤和行、永塚賢治、木山信道、伊藤公平
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2016-221524
  • 出願年月日: 2016-11-14