| 研究課題/領域番号 |
17K05055
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| 研究機関 | 静岡大学 |
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研究代表者 |
下村 勝 静岡大学, 創造科学技術大学院, 教授 (20292279)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | ナノギャップ / 高濃度ドーピング / 単分子デバイス / 表面吸着 |
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| 研究実績の概要 |
動的分子の存在位置のコントロールを利用した分子デバイスを作製するため、Si表面の特定範囲にトリメチルホスフィン(TMP)分子を閉じ込め、それを外部電極によって制御することを目指して研究を進めている。高濃度リンドープにより電極化したSi基板部に電圧を印加し、発生させた電界によってナノギャップ間に吸着させたTMP分子の挙動をコントロールできれば新たな駆動原理の分子デバイスの実現に繋がる。
本研究では高濃度リンドープ電極の作製を試みた。リンドープは、シリコン基板上にリン原子を含む半導体用不純物塗布拡散剤(OCD)を塗布し、熱拡散(950℃, 5-20 min)によって行った。ドープ濃度は、測定したSiの厚みとシート抵抗を測定して求めた。また電子ビームリソグラフィーを使用して5 μm-5 nmまでの様々なラインパターンをつくり、光学顕微鏡と原子間力顕微鏡(AFM)にてナノギャップの観察を行った。
本研究の結果、ドープ濃度が10^20 cm-3以上の非常に高濃度な電極が得られた。しかし、ギャップとギャップの間隔を200 nm以下にした場合にはパターンが全て繋がることでナノギャップが消えていた。それらはパターニングプロセス中でのサイドエッチング、サイドディフュージョン、電子散乱などによる影響が考えられる。パターニングプロセスの最適化とギャップ幅の関係について研究を進める。
ナノギャップのアプローチに加えて、分子吸着のプロセスをより詳細に制御するために、グラフェンの下地にドーピングをすることで、表面のpオービタルの電子占有率を段階的に変えることを検討している。このために、SiC単結晶基板を真空加熱することでグラフェンを作製することを試みた。その結果、単原子が明瞭に分離された観察されたグラフェンの走査トンネル顕微鏡像を得ることに成功した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
高濃度リンドープ電極の作製においては、10^20 cm-3以上の非常に高濃度な電極が得られたことから、ドープ量は電極として十分であることが分かった。この結果から、リン原子を含む半導体用不純物塗布拡散剤(OCD)を塗布し、加熱するという処理自体は問題がないことが確認できた。しかし、残念ながら適度なギャップを有する電極がまだ完成していない。熱拡散時に予想以上にリンが基板横方向に拡散していることがこの要因である。このため、やや遅れているという状況とした。リンドープ以外にも外部プローブを用いたナノギャップの作製などによっても本研究を遂行できる可能性があり、複数のアプローチを試みることが、今後検討されている。
しかし、当初予定していなかったSiC単結晶基板への分子吸着制御の実験が想定以上に進んでいる。得られた単原子が観察されているSTM像はこれまで報告されているどの論文のものよりも明瞭なものが得られており、分子制御のための下地作りの第一歩が踏み出されたことの意義は大きい。
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| 今後の研究の推進方策 |
高濃度リンドープによる電極づくりにおいては、今後も最適化の条件を探っていく。側方への熱拡散の量、基板温度、加熱時間の関係を明確にし、その上でどのくらいのギャップが残るかを考慮して条件最適化を行う。また、高濃度ドーピング以外の別の方法も検討する必要がある。現在、物理的なプローブを用いた電極について検討している。試料基板の両サイドから先端を先鋭化した金属針を配置することを計画している。ただし、この手法ではナノギャップを維持することは難しく、ミクロンスケールでのギャップになるが、高電圧の印加に耐えうるため、実質的な電場の影響を見ることは可能であると予想される。また、SiC単結晶基板について、今後、金属イオンのドープを行い、分子吸着の実験を行う予定である。金属イオンとしてはLi等の基板に電子を供与するものを用いることを検討している。また、部分酸化をさせることで、酸化グラフェンのような電子状態を作り出し、その酸化物ネットワークの中での分子の動的挙動を観察することを計画している。
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