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2015 年度 実績報告書

金属酸化物単結晶ナノワイヤの界面設計による機能創出

研究課題

研究課題/領域番号 15H03528
研究機関九州大学

研究代表者

柳田 剛  九州大学, 先導物質化学研究所, 教授 (50420419)

研究期間 (年度) 2015-04-01 – 2018-03-31
キーワード単結晶ナノワイヤ / 金属酸化物
研究実績の概要

従来は大気暴露により困難であった清浄な酸化物ナノワイヤヘテロ界面を“in-situナノワイヤヘテロ界面形成法”を駆使して形成し、単結晶酸化物ナノワイヤ界面を設計した。酸化物ナノワイヤ界面を制御するために、酸化物シェル層をナノワイヤ形成後に大気暴露を介すことなくVLSナノワイヤ結晶成長モードからVS薄膜結晶成長に雰囲気を変調させることでin-situでナノワイヤ表面上に形成した。シェル層にはバンドギャップが大きく、組成ずれによって絶縁性が崩されにくい酸化物材料群を選択した。コアの単結晶ナノワイヤ材料としては比較的移動度が大きなSnO2, In2O3, ZnOをモデル系として用いた。電子・熱輸送特性に大きな影響を与えるのは電子・フォノンの散乱・トラップサイトになり得るアクティブな界面であり、電子移動度の向上のためにはシェル層導入により電気的に不活性な界面を創出することが目標であった。本研究ではPLD法を用いたシェル層形成を行い、in-situヘテロ界面形成法に原子層体積法(ALD法)を導入することで問題の解決を試みた。研究実績のある4端子法とFET構造を用いて電気抵抗率及び移動度を評価した。非接触で輸送特性評価が可能なマイクロ波共鳴法と時間分解PL測定を組み合わせた手法により移動度を算出することで問題を解決した。熱輸送特性の評価に関しては、これまでに開発した3ω法を用いて1本のナノワイヤの熱伝導率を評価した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

従来は大気暴露により困難であった清浄な酸化物ナノワイヤヘテロ界面を“in-situナノワイヤヘテロ界面形成法”を駆使して形成し、単結晶酸化物ナノワイヤ界面を設計した。酸化物ナノワイヤ界面を制御するために、酸化物シェル層をナノワイヤ形成後に大気暴露を介すことなくVLSナノワイヤ結晶成長モードからVS薄膜結晶成長に雰囲気を変調させることでin-situでナノワイヤ表面上に形成した。シェル層にはバンドギャップが大きく、組成ずれによって絶縁性が崩されにくい酸化物材料群を選択した。コアの単結晶ナノワイヤ材料としては比較的移動度が大きなSnO2, In2O3, ZnOをモデル系として用いた。電子・熱輸送特性に大きな影響を与えるのは電子・フォノンの散乱・トラップサイトになり得るアクティブな界面であり、電子移動度の向上のためにはシェル層導入により電気的に不活性な界面を創出することが目標であった。本研究ではPLD法を用いたシェル層形成を行い、in-situヘテロ界面形成法に原子層体積法(ALD法)を導入することで問題の解決を試みた。研究実績のある4端子法とFET構造を用いて電気抵抗率及び移動度を評価した。非接触で輸送特性評価が可能なマイクロ波共鳴法と時間分解PL測定を組み合わせた手法により移動度を算出することで問題を解決した。熱輸送特性の評価に関しては、これまでに開発した3ω法を用いて1本のナノワイヤの熱伝導率を評価した。コアシェルナノワイヤを形成する技術開発は順調に進んでおり、またそれらのナノ構造物性を評価する技術開発も順調に進んでいる。

今後の研究の推進方策

絶縁体の単結晶酸化物ナノワイヤ上に異なる絶縁体酸化物をシェル層としてin-situで形成し、それらの酸素イオン-金属イオン間の凝集力の差異を介して界面における酸化還元反応を介した新しいナノワイヤ界面伝導層を創出する。イオン間の凝集力が異なる二つの金属酸化物がヘテロ界面を介して接合される場合、より凝集力が大きな材料が酸素イオンを他方から引き抜くことが予想される。多くのn型酸化物材料では酸素空孔がドナーとして働き伝導キャリアを生み出すことから、清浄なヘテロ界面を絶縁体酸化物ナノワイヤ上に作り出すことで、高濃度のキャリアを界面近傍のみに創出することが初めて可能になる。p型材料の場合は、逆に酸素イオンを引き抜いた側の層にホールキャリアが蓄積されるプロセスが予想される。本手法は、半導体においてバンドオフセットを介して界面にキャリアを蓄積することにより低次元電子ガスを作り出す設計概念とは大きく異なる。加えて、原理的にはアモルファスのシェル層でも本提案原理は成立することが予想されるために、本手法を用いることで極めて簡便に、且つ自己組織化ナノワイヤの特徴を活用して従来技術では困難であった大面積にスケーラブルにヘテロ界面伝導層を創出することが可能になる。本目的を実現するためには、①絶縁性・結晶性の高い単結晶酸化物ナノワイヤを形成し、②イオン間の凝集力が異なるシェル層をin-situで清浄環境下において形成する必要がある。従来技術ではこれらの高品質なナノワイヤ結晶とヘテロ界面を作り出すことは困難であったが、本研究では申請者がこれまでに蓄積してきた高品質な単結晶ナノワイヤを形成するVLS法とin-situヘテロ界面形成法を駆使することにより、これらの課題を解決する。

  • 研究成果

    (17件)

すべて 2016 2015

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (12件) (うち国際学会 8件、 招待講演 8件) 図書 (2件)

  • [雑誌論文] Rational Concept for Designing Vapor-Liquid-Solid Growth of Single Crystalline Metal Oxide Nanowires2015

    • 著者名/発表者名
      Klamchuen, A., M. Suzuki, K. Nagashima, H. Yoshida, M. Kanai, F. W. Zhuge, Y. He, G. Meng, S. Kai, S. Takeda, T. Kawai and T. Yanagida
    • 雑誌名

      Nano Letter

      巻: 15 ページ: 6406-6412

    • DOI

      10.1021/acs.nanott.5b1604

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Self-assembled Nanowire Arrays as Three-dimensional Nanopores for Filtration of DNA Molecules2015

    • 著者名/発表者名
      Rahong, S., T.Yasui, T.Yanagida, K.Nagashima, M.Kanai, G.Meng, Y.He, F.Zhuge, N.Kaji, T.Kawai, Y.Baba
    • 雑誌名

      Analytical Sciences

      巻: 31 ページ: 153-157

    • DOI

      10.2116/analsci.31.153

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 10.Three-dimensional Nanowire Structures for Ultra-Fast Separation of DNA, Protein and RNA Molecules2015

    • 著者名/発表者名
      Rahong, S., T.Yasui, T.Yanagida, K.Nagashima, M.Kanai, G.Meng, Y.He, F.Zhuge, N.Kaji, T.Kawai, Y.Baba
    • 雑誌名

      Scientific Reports (Nature Publishing Group)

      巻: 5 ページ: 10584

    • DOI

      10.1038/srep10584

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Single Crystalline Metal Oxide Nanowires and Their Promises2016

    • 著者名/発表者名
      Takeshi Yanagida
    • 学会等名
      ISPlasma2016 / IC-PLANTS2016
    • 発表場所
      名古屋大学東山キャンパス(愛知県)
    • 年月日
      2016-03-08
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Single Crystalline Metal Oxide Nanowires2016

    • 著者名/発表者名
      Takeshi Yanagida
    • 学会等名
      3rd NUS-IMCE Workshop
    • 発表場所
      九州大学伊都キャンパス(福岡県)
    • 年月日
      2016-02-15
    • 国際学会
  • [学会発表] Oxide Nanowire Devices for Analyzing Biomolecules2015

    • 著者名/発表者名
      Takeshi Yanagida
    • 学会等名
      Pacifichem 2015
    • 発表場所
      ハワイコンベンションセンター(アメリカ合衆国ハワイ州)
    • 年月日
      2015-12-15
    • 国際学会
  • [学会発表] 単結晶金属酸化物ナノワイヤの材料設計とそのナノデバイス展開2015

    • 著者名/発表者名
      柳田 剛
    • 学会等名
      電子情報技術産業協会 第5回「量子現象利用デバイス技術分科会」
    • 発表場所
      新化学技術推進協会 (東京都)
    • 年月日
      2015-12-07
    • 招待講演
  • [学会発表] Single Crystalline Metal Oxide Nanowires2015

    • 著者名/発表者名
      Takeshi Yanagida
    • 学会等名
      CEMS Topical Meeting on Oxide Interfaces 2015
    • 発表場所
      理化学研究所(埼玉県)
    • 年月日
      2015-10-05 – 2015-10-06
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Flexible Molecule Sensor using Single Crystalline Metal Oxide Nanowires2015

    • 著者名/発表者名
      Takeshi Yanagida
    • 学会等名
      International Symposium on Thin Film Technologies for Flexible Devices
    • 発表場所
      名古屋国際会議場(愛知県)
    • 年月日
      2015-09-14
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Emerging Oxide Nanowires: Creation Concept and Their Promises for Novel Nanoscale Devices2015

    • 著者名/発表者名
      Takeshi Yanagida
    • 学会等名
      228th ECS Meeting
    • 発表場所
      フェニックスコンベンションセンター(アメリカ合衆国アリゾナ州)
    • 年月日
      2015-09-13
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 金属酸化物単結晶ナノワイヤ2015

    • 著者名/発表者名
      柳田 剛
    • 学会等名
      第3回・酸化物研究の新機軸に向けた学際討論会
    • 発表場所
      東北大学片平キャンパス(宮城県)
    • 年月日
      2015-08-04
    • 招待講演
  • [学会発表] Ultra Low Power Consumed Molecule Sensing on Single Crystalline Nanowires2015

    • 著者名/発表者名
      Takeshi Yanagida
    • 学会等名
      International Workshop on Molecular Electronics,
    • 発表場所
      知床グランドホテル北こぶし(北海道)
    • 年月日
      2015-08-03 – 2015-08-06
    • 国際学会
  • [学会発表] 金属酸化物単結晶ナノワイヤ2015

    • 著者名/発表者名
      柳田 剛
    • 学会等名
      日本セラミックス協会 第49回基礎科学部会セミナー
    • 発表場所
      ウインク愛知(愛知県)
    • 年月日
      2015-07-17
    • 招待講演
  • [学会発表] 金属酸化物単結晶ナノワイヤ2015

    • 著者名/発表者名
      柳田 剛
    • 学会等名
      応用物理学会関西支部 平成27年度第1回講演会
    • 発表場所
      イーグレ姫路(兵庫県)
    • 年月日
      2015-06-22
    • 招待講演
  • [学会発表] Nanowires Alignment on Micrometer Scale Hydrophilic Patterns by Blade-coating Method2015

    • 著者名/発表者名
      He Yong and Takeshi Yanagida
    • 学会等名
      EMN Qingdao Meeting -- Energy Materials & Nanotechnology
    • 発表場所
      Grand Regency Hotel(中華人民共和国山東省青島市)
    • 年月日
      2015-06-14 – 2015-06-17
    • 国際学会
  • [図書] Resistive Switching: From Fundamentals of Nanoionic Redox Processes to Memristive Device Applications, Chapter 23 Bottom-Up Approaches for Resistive Switching Memories2016

    • 著者名/発表者名
      S. Spiga, T. Yanagida and T. Kawai
    • 総ページ数
      784
    • 出版者
      Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA
  • [図書] Magnetic Nano- and Microwires, Design, Synthesis, Properties and Applications, Ch16: Oxide nanowires for non-volatile memory applications2015

    • 著者名/発表者名
      K.Nagashima and T.Yanagida
    • 総ページ数
      870
    • 出版者
      Woodhead Publishing

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公開日: 2018-01-16  

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