高性能ガスセンサー実現のための活性表面の作製と評価

• 研究領域: ３Ｄ活性サイト科学
• 研究課題/領域番号: 15H01053
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 理工系
• 研究機関: 国立研究開発法人物質・材料研究機構
• 研究代表者: 鈴木 拓 国立研究開発法人物質・材料研究機構, セラミックス表面・界面グループ, 主席研究員 (60354354)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2017-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2016年度)
• 配分額: 6,630千円 (直接経費: 5,100千円、間接経費: 1,530千円); 2016年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円); 2015年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
• キーワード: ガスセンサ / 光電子解説 / 光電子ホログラフィー / 酸化亜鉛 / イオン散乱分光 / 表面・界面物性 / 光電子回折

研究実績の概要

ガスセンサは工業原料や排気ガスに含まれるガスの検知に広く用いられており、近年では、環境エネルギー分野での高性能ガスセンサの重要性が増している。半導体型のガスセンサでのドーピングによるセンサ特性の向上は、センシング材料表面に特有の活性サイトが出現することで、この電気抵抗変化が大きくなる（又は、小さくなる）結果である。したがって、センシング材料の開発においては、そのような活性サイトを有する表面（ここでは活性表面と呼ぶ）の原子配列を同定することは極めて重要である。
代表研究者らはこれまでに、ドーピングと表面偏析の組み合わせを新たな活性表面の構築法として着目し、その原子配列に関して低速イオン散乱分光（LEIS）を用いて解析してきた。その結果、タングステンドープ酸化亜鉛（W-ZnO）表面が優れたガスセンシング特性を有することが見出された。そこでWドーピングの役割を解明するために、Wドーパントの局所構造を同定することを目的とした二次元光電子分光実験を行い、W-ZnO最表面が酸素面で終端していることや、表面に偏析したWが第二層目のZn置換サイトに位置していることを明らかにしてきた。光電子回折により同定されたこのW-ZnO表面構造モデルは、LEISから別途同定されたモデルと一致する。この結果を踏まえ平成２８年度は、二次元光電子分光によるガス吸着構造解析への展開を見据え、インハウス実験によるガス吸着構造解析に関する予備検討と、ZnO各結晶面のガスセンサ特性に関する検討を進めた。その結果、飛行時間型２次イオン質量分析／LEIS／昇温脱離分析の融合装置を新たに開発し、その運用を開始した。また成長方位を制御したZnO薄膜の合成に成功し、表面原子配列とガスセンサ特性との関係に関する知見を得た。

現在までの達成度 (段落)

28年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

28年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] 偏極4He+イオンビームによるスピン依存イオン散乱とその応用 (2017)
  • 著者名/発表者名: 鈴木拓、酒井治
  • 雑誌名: 表面科学 巻: 38 ページ: 164-169
  • NAID: 130005606245
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Effects of the Electronic Spin-Orbit Interaction on the Anomalous Asymmetric Scattering of the Spin-Polarized 4He+ Beam with Paramagnetic Target Materials (2017)
  • 著者名/発表者名: O. Sakai, T.T. Suzuki
  • 雑誌名: Journal of Physical Society of Japan 巻: 印刷中
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Spin-orbit coupling and surface magnetism coexisting in spin dependent low-energy He+ ion scattering (2017)
  • 著者名/発表者名: T.T. Suzuki, O. Sakai
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 95
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Gas sensing properties of <i>c</i>-axis-oriented Al-incorporated ZnO films epitaxially grown on (11-20) sapphire substrates using pulsed laser deposition (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Adachi, K. Watanabe, N. Saito, I. Sakaguchi, T. Suzuki
  • 雑誌名: Journal of the Ceramic Society of Japan 巻: 124 号: 6 ページ: 668-672
  • DOI: 10.2109/jcersj2.15319
  • NAID: 130005155655
  • ISSN: 1348-6535, 1882-0743
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Selective Concentration of Ultra-trace Acetone in the Air by Cryogenic Temperature Programmed Desorption (cryo-TPD) (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Suzuki, I. Sakaguchi
  • 雑誌名: Analytical Sciences 巻: 32 号: 9 ページ: 937-941
  • DOI: 10.2116/analsci.32.937
  • NAID: 130006777404
  • ISSN: 0910-6340, 1348-2246
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Evaluation of sensor property for hydrogen and ethanol of zinc-doped tin-dioxide thin films fabricated by rf sputtering (2016)
  • 著者名/発表者名: I. Sakaguchi, N. Saito, K. Watanabe, Y. Adachi, T. Suzuki
  • 雑誌名: Journal of the Ceramic Society of Japan 巻: 124 号: 6 ページ: 714-716
  • DOI: 10.2109/jcersj2.16015
  • NAID: 130005155663
  • ISSN: 1348-6535, 1882-0743
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Quantitative analysis of helium by post-ionization method using femtosecond laser technique (2016)
  • 著者名/発表者名: H. Yurimoto, K. Bajo, I. Sakaguchi, T. Suzuki, J.G. A.J.G. Jurewicz, S. Itose, K. Uchinof, M. Ishihara
  • 雑誌名: Surface and Interface Analysis 巻: 48 号: 11 ページ: 1181-1184
  • DOI: 10.1002/sia.6119
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Floating zone growth and magnetic properties of Y2C two-dimensional electride (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Otani, K. Hirata, Y. Adachi, N. Ohashi
  • 雑誌名: Journal of Crystal Growth 巻: 454 ページ: 15-18
  • DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2016.08.048
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantitative secondary ion mass spectrometric analysis of secondary ion polarity in GaN films implanted with oxygen (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Hashiguchi, I. Sakaguchi, Y. Adachi, N. Ohashi
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 55 号: 10 ページ: 101001-101001
  • DOI: 10.7567/jjap.55.101001
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electrochemical performance of an all-solid-state lithium; oxygen battery under humidified oxygen (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Suzuki, K. Watanabe, T. Shoma, N. Imanishi
  • 雑誌名: Solid State Ionics 巻: 289 ページ: 72-76
  • DOI: 10.1016/j.ssi.2016.03.003
  • 査読あり
• [雑誌論文] Isotope tracer investigation and ab-initio simulation of anisotropic hydrogen transport and possible multi-hydrogen centers in tin dioxide (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Watanabe, I. Sakaguchi, M. Hashiguchi, N. Saito, E. Ross, H. Haneda, T. Ohsawa, N. Ohashi
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 119 号: 22 ページ: 225704-225704
  • DOI: 10.1063/1.4953387
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Orientation alignment of epitaxial LiCoO2 thin films on vicinal SrTiO3 (100) substrates (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Nishio, T. Ohnishi, K. Mitsuishi, N. Ohta, K. Watanabe, K. Takada
  • 雑誌名: Journal of Power Sources 巻: 325 ページ: 306-310
  • DOI: 10.1016/j.jpowsour.2016.06.015
  • 査読あり
• [雑誌論文] Temperature Programmed Desorption of Quench-condensed Krypton and Acetone in Air; Selective Concentration of Ultra-trace Gas Components (2016)
  • 著者名/発表者名: T.T.Suzuki, I. Sakaguchi
  • 雑誌名: Analytical Sciences 巻: 32 号: 4 ページ: 449-454
  • DOI: 10.2116/analsci.32.449
  • NAID: 130005143834
  • ISSN: 0910-6340, 1348-2246
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Oscillatory spin asymmetric scattering of low energy He ions on Sn surfaces (2016)
  • 著者名/発表者名: T.T.Suzuki, O.Sakai
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms 巻: 印刷中 ページ: 2-6
  • DOI: 10.1016/j.nimb.2016.02.064
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] An ultrabright and monochromatic electron point source made of a LaB6 nanowire (2016)
  • 著者名/発表者名: H. Zhang, J. Tang, J. Yuan, Y. Yamauchi, T.T. Suzuki, N. Shinya, K. Nakajima, Lu-Chang Qin
  • 雑誌名: Nature Nanotechnology 巻: 11 号: 3 ページ: 273-279
  • DOI: 10.1038/nnano.2015.276
  • 査読あり
• [雑誌論文] Depth profiling analysis of solar wind helium collected in diamond-like carbon film from <i>Genesis</i> (2015)
  • 著者名/発表者名: Bajo, K., Olinger, C. T., Jurewicz, A. J. G., Burnett, D. S., Sakaguchi, I., Suzuki, T., Itose, S., Ishihara, M., Uchino, K., Wieler, R. and Yurimoto, H.
  • 雑誌名: ＧＥＯＣＨＥＭＩＣＡＬ ＪＯＵＲＮＡＬ 巻: 49 号: 5 ページ: 559-566
  • DOI: 10.2343/geochemj.2.0385
  • NAID: 130005101418
  • ISSN: 0016-7002, 1880-5973
  • 年月日: 2015-09-30
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Influence of high deposition rate on LiCoO2 epitaxial films prepared by pulsed laser deposition (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Nishio, T. Ohnishi, M. Osada, N. Ohta, K. Wtanabe, K. Takada
  • 雑誌名: Solid State Ionics 巻: 286 ページ: 91-95
  • DOI: 10.1016/j.ssi.2015.06.006
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Target element dependent spin–orbit coupling in polarized 4He+ ion (2015)
  • 著者名/発表者名: 鈴木拓、酒井治、一ノ倉聖、平原徹、長谷川修司
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 巻: 印刷中 ページ: 163-166
  • DOI: 10.1016/j.nimb.2014.11.055
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] ビスマス表面におけるスピン依存イオン散乱 (2015)
  • 著者名/発表者名: 一ノ倉聖, 平原徹, 柳町治, 長谷川修司, 鈴木拓
  • 雑誌名: Journal of the Surface Science Society of Japan 巻: 36 ページ: 408-411
  • NAID: 130005093814
  • 査読あり
• [学会発表] Surface magnetism vs. spin-orbit coupling in low-energy He+ ion scattering (2016)
  • 著者名/発表者名: 鈴木拓、酒井治
  • 学会等名: イオンビーム特別研究会
  • 発表場所: 京都府立大学
  • 年月日: 2016-12-03
• [学会発表] Origin of the Anomalous Asymmetric Scattering of the Spin-Polarized 4He+ Beam with Paramagnetic Target Materials (2016)
  • 著者名/発表者名: 酒井治、鈴木拓
  • 学会等名: イオンビーム特別研究会
  • 発表場所: 京都府立大学
  • 年月日: 2016-12-03
• [学会発表] Gas sensing properties of epitaxial ZnO films (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Adachi, I. Sakaguchi, T. Suzuki, N. Saito
  • 学会等名: 9th International Workshop on ZnO and Related Materials
  • 発表場所: 台湾
  • 年月日: 2016-10-30
  • 国際学会
• [学会発表] タングステン添加酸化亜鉛薄膜の水素とエタノールガスのセンサ特性 (2016)
  • 著者名/発表者名: 坂口勲, 齋藤紀子, 安達裕, 渡邉賢, 鈴木拓
  • 学会等名: 第36回エレクトロセラミックス研究討論会
  • 発表場所: 富士通労働会館
  • 年月日: 2016-10-13
• [学会発表] 酸化亜鉛薄膜ガスセンサ特性の結晶面依存性 (2016)
  • 著者名/発表者名: 安達裕, 坂口勲, 齋藤紀子, 鈴木拓
  • 学会等名: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 朱鷺メッセ（新潟）
  • 年月日: 2016-09-13
• [学会発表] スピン偏極He+ビーム散乱における異常なスピン軌道相互作用の起源VI (2016)
  • 著者名/発表者名: 酒井治、鈴木拓
  • 学会等名: 日本物理学会
  • 発表場所: 金沢大学
  • 年月日: 2016-09-13
• [学会発表] 高性能ガスセンサー実現のための活性表面の作製と評価 (2016)
  • 著者名/発表者名: 鈴木拓, 安達裕, 渡邉賢
  • 学会等名: 3D活性サイト科学 第四回成果発表会
  • 発表場所: 大阪大学
  • 年月日: 2016-09-10
• [学会発表] ISSおよびUPSによるSrTiO₃(110)表面上へのNOx吸着 (2016)
  • 著者名/発表者名: 藤本憲次郎, 石塚 雄斗, 山口 祐貴, 相見 晃久, 坂口勲, 鈴木拓
  • 学会等名: 日本セラミックス協会-第29回秋季シンポジウム
  • 発表場所: 広島大学
  • 年月日: 2016-09-07
• [学会発表] 不純物添加がZnO薄膜のガスセンシング特性に及ぼす影響 (2016)
  • 著者名/発表者名: 安達裕, 坂口勲, 齋藤紀子, 鈴木拓
  • 学会等名: 日本セラミックス協会-第29回秋季シンポジウム
  • 発表場所: 広島大学
  • 年月日: 2016-09-07
• [学会発表] Atomic structure analysis of W-doped ZnO thin film (000-1) by photoelectron diffraction (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Fukami, Y. Adachi, I. Sakaguchi, K. Watanabe, T. Muro, T. Matsushita, M. Taguchi, F. Matsui, H. Daimon, T. Suzuki
  • 学会等名: VUVX2016
  • 発表場所: スイス
  • 年月日: 2016-07-03
• [学会発表] Sn表面における低速ヘリウムイオンの振動的な非対称性散乱 (2016)
  • 著者名/発表者名: 鈴木拓, 柳町治, 坂口勲
  • 学会等名: 日本物理学会 第71回年次大会
  • 発表場所: 東北学院大学
  • 年月日: 2016-03-19
• [学会発表] 量子情報・量子計測における宝石「欠陥ダイヤモンド」の作り方、使い方 (2016)
  • 著者名/発表者名: 鈴木拓
  • 学会等名: 日本物理学会 第71回年次大会
  • 発表場所: 東北学院大学
  • 年月日: 2016-03-19
  • 招待講演
• [学会発表] 二次元光電子分光による、ＷドープＺｎＯ半導体の表面構造解析 (2016)
  • 著者名/発表者名: 深見駿, 鈴木拓, 安達裕, 渡邉賢, 坂口勲, 田口宗孝, 辻川大地, 吉田泰輔,橋本雄介, 李美希, 室隆桂之, 松下智裕, 松井文彦, 大門寛
  • 学会等名: 日本物理学会 第71回年次大会
  • 発表場所: 東北学院大学
  • 年月日: 2016-03-19
• [学会発表] スピン偏極He+ビーム散乱における異常なスピン軌道相互作用の起源III (2016)
  • 著者名/発表者名: 酒井治、鈴木拓、西野正理
  • 学会等名: 日本物理学会 第71回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学
  • 年月日: 2016-03-19
• [学会発表] Ｗ添加酸化亜鉛とZn添加酸化スズ薄膜のセンサ特性 (2016)
  • 著者名/発表者名: 坂口勲, 安達裕, 渡邉賢,齋藤紀子、鈴木拓
  • 学会等名: 日本セラミックス協会２０１６年会
  • 発表場所: 早稲田大学
  • 年月日: 2016-03-14
• [学会発表] 二次元光電子回折法によるWドープZnO単結晶の表面終端構造解明 (2016)
  • 著者名/発表者名: 深見駿, 鈴木拓, 安達裕, 坂口勲, 渡邉賢, 橋本由介, 岡本隆志, 田中一光,米田允俊, 太田紘志, 嶽太輔, 吉田喜紀, 室隆桂之, 松下智裕, 田口宗孝, 松井文彦, 大門寛
  • 学会等名: 3D活性サイト科学成果報告会
  • 発表場所: 名古屋工業大学
  • 年月日: 2016-03-07
• [学会発表] 高性能ガスセンサ実現のための活性表面の作成と評価 (2016)
  • 著者名/発表者名: 鈴木拓, 安達裕, 渡邉賢
  • 学会等名: 3D活性サイト科学成果報告会
  • 発表場所: 名古屋工業大学
  • 年月日: 2016-03-07
• [学会発表] Temperature Dependence of Atomic Structure Around Doped W atom in ZnO thin film studied by photoelectron diffraction (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Fukami, Y. Adachi, I. Sakaguchi, K. Watanabe, K. Muro, T. Matsushita, M. Taguchi, F. Matsui, H. Daimon, T. Suzuki
  • 学会等名: Local 3D atomic and electronic structure imaging of functionally
  • 発表場所: スイス
• [学会発表] Spin-orbit coupling in He+ ion - surface collisions (2015)
  • 著者名/発表者名: 鈴木拓, 柳町治, 坂口勲
  • 学会等名: 第１６回「イオンビームによる表面・界面」特別研究会
  • 発表場所: 奈良女子大学
  • 年月日: 2015-12-05
  • 招待講演
• [学会発表] MICRODISTRIBUTION OF SOLAR WIND HELIUM ON ITOKAWA PARTICLES (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Bajo, I. Sakaguchi, T. Suzuki, S. Itose, M. Matsuya, M. Ishihara, K.Uchino, H. Yurimoto
  • 学会等名: HAYABUSA 2015 3rd Symposium of Solar System Materials
  • 発表場所: JAXA（神奈川）
  • 年月日: 2015-11-18
  • 国際学会
• [学会発表] Effects of Impurity Doping on Gas Sensing Properties of ZnO films Grown by Pulsed Laser Deposition (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Adachi, I. Sakaguchi, K. Watanabe, N. Saito, T. Suzuki
  • 学会等名: STAC-9
  • 発表場所: つくば国際会議場
  • 年月日: 2015-10-19
  • 国際学会
• [学会発表] Low-energy He+ ion scattering spectroscopy; Recent topics in fundamentals and applications (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Suzuki, O. Yanagimachi, Y. Adachi, K. Watanabe, N. Saito, I. Sakaguchi, N.Ohashi, S. Hishita
  • 学会等名: 21st International Workshop on Inelastic ion-surface collisions
  • 発表場所: スペイン
  • 年月日: 2015-10-18
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Al添加酸化亜鉛薄膜のガスセンサ特性 (2015)
  • 著者名/発表者名: 安達裕, 渡邉賢, 齋藤紀子,鈴木拓、坂口勲、大橋直樹
  • 学会等名: 日本セラミックス協会第２８回秋季シンポジウム
  • 発表場所: 富山大学
  • 年月日: 2015-09-16
• [学会発表] スピン偏極He+ビーム散乱における異常なスピン軌道相互作用の起源II (2015)
  • 著者名/発表者名: 柳町治, 鈴木拓, 西野正理
  • 学会等名: 日本物理学会[物性] 2015年 秋季大会
  • 発表場所: 関西大学
  • 年月日: 2015-09-16
• [学会発表] 酸化亜鉛薄膜のガスセンサ特性 (2015)
  • 著者名/発表者名: 安達裕, 渡邉賢, 齋藤紀子, 鈴木拓, 坂口勲, 大橋直樹
  • 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
  • 年月日: 2015-09-13
• [学会発表] 凝縮固体表面における昇温TOF-SIMS (2015)
  • 著者名/発表者名: 鈴木拓, 坂口勲
  • 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
  • 年月日: 2015-09-13
• [学会発表] Measurement for a regolith particle recovered from asteroid Itokawa by Sputtered Neutral Mass Spectrometry with tunneling ionization (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Bajo, I. Sakaguchi, T. Suzuki, S. Itose, M. Mtsuya, M. Ishihara, K.Uchino, M. Kudo, K. Nagao, Y. Seto, H. Yurimoto
  • 学会等名: SISS-17
  • 発表場所: 成蹊大学
  • 年月日: 2015-06-25
  • 国際学会
• [学会発表] Modification of ZnO surfaces by W segregation and their gas sensing properties (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Suzuki, Y. Adachi, K. Watanabe, N. Saito, I. Sakaguchi, N. Ohashi, S.Hishita
  • 学会等名: 2015 EMN Qingdao Meeting
  • 発表場所: 中国
  • 年月日: 2015-06-14
  • 国際学会 / 招待講演
• [産業財産権] ガス分析装置およびガス分析方法 (2015)
  • 発明者名: 鈴木拓、坂口勲
  • 権利者名: 鈴木拓、坂口勲
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2015-11-20