ギャップ部近傍が単一金属ドメインで構成されたナノギャップ電極の作製

2019 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 19K05222
• 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: 内藤 泰久 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (10373408)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: ナノギャップ / エレクトロマイグレーション / 金属 / 微細加工

研究実績の概要

本研究では、２つの電極が数nmで向かい合ったいわゆるナノギャップ電極について、電極金属の結晶構造の改善について探求をおこなっている。本年度は、研究項目①「単結晶ナノ電極のメカニズム解明による適応金属材料の拡大」及び、研究項目③「単結晶ナノ電極の基板面方位依存性の検証」について進展があった。
①については、これまで実現したPtやAuの単結晶化について検討した結果、結晶化を肥大化させるアクティベーションガスがない真空環境下であってもある程度は結晶化が促進されることが分かった。本結果は、ガス導入を必要としないことを示しており、技術の適応範囲の拡大に期待ができる。
③については、単結晶MgO(100)基板上にPt電極を構成し、アクティベーションガス雰囲気下で結晶化ナノギャップの形成を試みた。結果、単結晶表面上であってもはっきりとしたファセット構造を確認でき、単結晶化が可能であることが分かった。
以上の様に研究は目標に向かって着実に進展している。

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

①のメカニズムについて、アクティベーションガスが不要であることを示すなど、電子のフローによる構造変化が結晶化に大きく作用しているっことを明らかにするなど、大きく前進している。合わせて当初のPtだけでなくAuも単結晶ナノギャップの実現を示すなど、Pt限定の効果ではないことを示すことができたことが大きい。
そして、計画では次年度から実施予定の③についても先取りして行い、プロセス上の問題点も明らかになった。しかしながら、現時点でも結晶化がある程度うまくいくとの見通しが立っているため、着実にプロジェクトが進行している感触がある。

今後の研究の推進方策

来年度以降、継続して研究項目を進める。本年度進展があった研究項目①「単結晶ナノ電極のメカニズム解明による適応金属材料の拡大」については、比較的に取り扱いやすいPdにターゲットに絞り、結晶化の効果を検証する。また、Pdは水素を吸蔵する効果が知られており、結晶化の有無の依存性を水素ガスに対する反応性の変化と言う形で、単純に結晶化と言うだけでなく、センサーとしての応用効果の検証も視野に入れる。次に研究項目②「トンネル電流制御による結晶改善の検証」については、引き続き検討を行う。最後に研究項目③「単結晶ナノ電極の基板面方位依存性の検証」については、前述の取り単結晶化の効果は確認したが、サンプル作製の段階でMgO表面が水で劣化しやすくプロセスが電停された為、Ptナノワイヤーの加工精度が数μm程度と大きかった。その為ギャップに沿って結晶ファセットが複数個並んでいるような恰好になっており、TEMでの単結晶構造の限定が難しい。理想的には現在数μm幅のPtワイヤー構造を100nm程度としなければならない。その為Pt電極の作製手法自身を見直す、もしくは使用単結晶基板の種類を変更するなど工夫を試みたい。

次年度使用額が生じた理由

本年度は、プロセス上で予期せぬ不具合が発生し、その検証の為共用施設の使用料と分析費が少なくなった。その為、若干の予算の繰り越しが発生した。