ナノシリコン弾道電子源の液体・気体・固体中動作と応用

2009 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21241037
• 研究機関: 東京農工大学
• 研究代表者: 越田 信義 東京農工大学, 大学院・工学府, 特任教授 (50143631)
• 研究分担者: BERNARD Gelloz 東京農工大学, 大学院・共生科学技術研究院, 助教 (40343157)
• キーワード: ナノシリコン / 量子閉じ込め効果 / 弾道電子放出 / 多重トンネル / 還元効果 / 水素生成 / 金属薄膜堆積 / 真空紫外光発生

研究概要

ナノシリコンによる弾道電子エミッタ作製技術の確立を図りつつ、液体、気体、固体中の動作特性を多面的に測定した。各動作媒質において生じる特有の電子注入効果を見いだすとともに応用の基礎険討を行った。得られた主な成果を以下に示す。
1.ナノシリコン層の構造・界面制御による弾道電子放出効率向上
シリコンナノドット間を電子が弾道走行するために不可欠な一連の低温酸化・アニール・洗浄乾燥技術を開発し、トンネル伝導と電子放出を高効率化する方法を固めた。またこれに伴って電子放出の安定性が大幅に向上することを、電気的・光学的特性と関連させて明らかにした。
2.液体中動作特性の基礎解析
ナノシリコン弾道電子エミッタを種々の水溶液で動作させ、熱平衡よりはるかに高いエネルギーをもった弾道電子の注入がすべての水溶液に対して強い還元効果をもたらし、水素気体発生、pH値・溶存水素量の増大が共通して生じることを確認し、その機構モデルを提示した。
3.液体中動作により生じる効果の研究
前項の結果を発展させて動作溶液を金属塩水溶液に拡大し、対向電極を用いない電子源の単独動作によって電子放出面上に金属薄膜が均一に堆積する現象を見いだした。従来のメッキとは異なる新規の薄膜堆積技術として、広い範囲の材料に適用できる可能性がある。
4.気体中動作と特性の解析
高圧Xeガス中で電子源を動作しXe分子の直接励起によって真空紫外光を効率的に発生させるための要素技術と方策を明らかにし、平面照明などへの応用可能性を示した。
5.固体中動作と素子化の基礎検討
シリコンナノドットがトンネル酸化膜で連結した量子構造における電子輸送過程を理論的に解析し、弾道電子が生成する多重トンネルモデルを裏付けることができた。

研究成果

• [雑誌論文] Development of dry-processed silicon nano-dot planar cold cathode and its electron emission properties. (2010)
  • 著者名/発表者名: Y.Hirano, M.Nanba, N.Egami, S.Yamazaki, N.Koshida
  • 雑誌名: J.Vac.Sci.Technol.B 28 ページ: C2B6-C2810
  • 査読あり
• [雑誌論文] 2/3-inch ultra-high-sensitivity image sensor with active-matrix high-efficiency electron emission device. (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Nakada, T.Sato, Y.Matsuba, K.Sakemura Y.Okuda, N.Negishi, A.Watanabe T.Yoshikawa K.Ogasawara, M.Nanba, K.Tanioka, N.Egami, A.Kobayashi, N.Koshida
  • 雑誌名: J.Vac.Sci.Technol.B 28 ページ: C2D11-C2D15
  • 査読あり
• [雑誌論文] Direct excitation of xenon by ballistic electrons emitted from nanocrystalline silicon planar cathode and vacuum-ultraviolet light emission(Invited). (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Ichihara, T.Hatai, N.Koshida
  • 雑誌名: J.Soc.Information Display 18 ページ: 223-227
  • 査読あり
• [雑誌論文] Multiple energy transfer in porous silicon/Rh6G/RhB nanocomposite evidenced by photoluminescence and its polarization memory. (2010)
  • 著者名/発表者名: A.Chouket, H.Elhouichet, H.Koyama, B.Gelloz, M.Oueslati, N.Koshida
  • 雑誌名: Thin Solid Films 518 ページ: S212-S216
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quasi-ballistic electron transport through silicon nanocrystals. (2009)
  • 著者名/発表者名: N.Mori, H.Minari S.Uno, H.Mizuta, N.Koshida
  • 雑誌名: J.Phys.Conf.Ser. 193 ページ: 012008-012011
  • 査読あり
• [雑誌論文] Avalanche multiplication of photo-carriers in nanometer-sized silicon dot layers. (2009)
  • 著者名/発表者名: Y.Hirano, K.Okamoto, S.Yamazaki, N.Koshida
  • 雑誌名: Appl.Phys.Lett. 95 ページ: 063109-063111
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effect of high-pressure water-vapor annealing on energy transfer in dye-impregnated porous silicon. (2009)
  • 著者名/発表者名: A.Chouket, B.Gelloz, H.Koyama, H.Elhouichet, M.Oueslati, N.Koshida
  • 雑誌名: J.Luminescence 129 ページ: 1332-1335
  • 査読あり
• [雑誌論文] Long-lived blue phosphorescence of oxidized and annealed nanocrystalline silicon. (2009)
  • 著者名/発表者名: B.Gelloz, N.Koshida
  • 雑誌名: Appl.Phys.Lett. 94 ページ: 201903-201905
  • 査読あり
• [雑誌論文] Enhanced output current density of an active-matrix high-efficiency electron emission device(HEED)array with 13.75μm pixels. (2009)
  • 著者名/発表者名: T.Nakada, T.Sato, Y.Matsuba, R.Tanaka, K.Sakemura, N.Negishi, Y.Okuda, A.Watanabe, T.Yoshikawa, K.Ogasawara, M.Nanba, K.Tanioka, N.Egami, N.Koshida
  • 雑誌名: J.Vac.Sci.Technol.B 27 ページ: 735-739
  • 査読あり
• [雑誌論文] Vacuum-ultraviolet light emission from xenon directly excited by ballistic output electrons of nanocrystalline silicon planar cathode. (2009)
  • 著者名/発表者名: T.Ichihara, T.Hatai, N.Koshida
  • 雑誌名: J.Vac.Sci.Technol.B 27 ページ: 772-774
  • 査読あり
• [雑誌論文] Specific blue light emission from nanocrystalline porous Si treated by high pressure water vapor annealing. (2009)
  • 著者名/発表者名: B.Gelloz, R.Mentek, N.Koshida
  • 雑誌名: Jpn.J.Appl.Phys. 48 ページ: 04C1191-04C1195
  • 査読あり
• [雑誌論文] ナノ結晶シリコン電子源の新しい応用展開. (2009)
  • 著者名/発表者名: 越田信義
  • 雑誌名: 応用物理 78 ページ: 329-332
  • 査読あり
• [学会発表] ナノシリコン弾道電子源の溶液中動作によるCu薄膜堆積 (2010)
  • 著者名/発表者名: 太田敢行、B.Gelloz、越田信義
  • 学会等名: 第57回 応用物理学会関係連合会
  • 発表場所: 東海大学、神奈川県
  • 年月日: 2010-03-17
• [学会発表] Functional properties of nanosilicon ballistic electron emitter in vacuum, atmospheric-pressure gases, and solutions. (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Ohta, B.Gelloz, N.Koshida
  • 学会等名: Int.Conf.On Porous Semiconductors Science and Technology
  • 発表場所: Valencia, Spain
  • 年月日: 2010-03-16
• [学会発表] Nanosilicon for advanced more-than-moore applications(Invited) (2010)
  • 著者名/発表者名: 越田信義
  • 学会等名: Int.Symp.on Atom-Scale Silicon Hybrid Nanotechnologies for'More-than-Moore'&'Beyond CMOS'Era
  • 発表場所: Southampton, UK
  • 年月日: 2010-03-02
• [学会発表] Surface Electron Emission Lithography System based on a planar type Sinanowire array ballistic electron source (2010)
  • 著者名/発表者名: A.Kojima, T.Ohta, H.Ohi, N.Koshida
  • 学会等名: SPIE Int.Meeting on Advanced Lithography
  • 発表場所: San Jose, USA
  • 年月日: 2010-02-28
• [学会発表] Fabrication and Optical Characterization of Self-standing Wide-gap Nanocrystalline Silicon Layers. (2009)
  • 著者名/発表者名: R.Mentek, B.Gelloz, N.Koshida
  • 学会等名: Int.Conf.Solid State Devices and Mater.
  • 発表場所: Sendai, Japan
  • 年月日: 2009-10-08
• [学会発表] Structural and Optical Properties of Electropolymerized Poly(paraphenylene)vinylene Films on Si and Porous Si. (2009)
  • 著者名/発表者名: T.Djenizian, B.Gelloz, F.Dumur, C.Chassigneux, N.Koshida
  • 学会等名: ECS 2009 Int.Symp.
  • 発表場所: Wien, Austria
  • 年月日: 2009-10-06
• [学会発表] ナノシリコン技術の可能性(招待講演) (2009)
  • 著者名/発表者名: 越田信義
  • 学会等名: 日本学術振興会第136委員会研究会
  • 発表場所: 弘済会館、東京
  • 年月日: 2009-09-14
• [学会発表] Quasi-ballistic electron transport through silicon nanocrystals. (2009)
  • 著者名/発表者名: N.Mori, H.Minari, S.Uno, H.Mizuta, N.Koshida
  • 学会等名: Int.Conf.on Electron Dynamics In Semiconductors
  • 発表場所: Montpellier, France
  • 年月日: 2009-08-24
• [学会発表] Illumination effects on the characteristics of nanosilicon ballistic electron emitter as an active electrode (2009)
  • 著者名/発表者名: T.Ohta, S.Ogawa, B.Gelloz, N.Koshida
  • 学会等名: Int.Vac.Nanoelectronics Conf.
  • 発表場所: Hamamatsu, Japan
  • 年月日: 2009-07-24
• [学会発表] 2/3-inch ultra-high-sensitivity image sensor with active-matrix high-efficiency electron emitter array. (2009)
  • 著者名/発表者名: T.Nakada, et al.
  • 学会等名: Int.Vac.Nanoelectronics Conf.
  • 発表場所: Hamamatsu, Japan
  • 年月日: 2009-07-24
• [学会発表] Operation of nanosilicon ballistic electron emitter in aqueous solutions as an active electrode(Invited). (2009)
  • 著者名/発表者名: 越田信義
  • 学会等名: 5th Kurt Schwabe Int.Symp.
  • 発表場所: Erlangen, Germany
  • 年月日: 2009-05-25
• [図書] Device Applications of Silicon Nanocrystals and Nanostructures (2009)
  • 著者名/発表者名: N.Koshida(Ed.)
  • 総ページ数: 348
  • 出版者: Springer(New York)
• [備考]
  • URL: http://www.tuat.ac.jp/~koslab/
• [産業財産権] 電子源電極を用いた固体薄膜の形成方法 (2010)
  • 発明者名: 越田信義・太田敢行
  • 権利者名: 東京農工大学
  • 産業財産権番号: 特願2010-21463
  • 出願年月日: 2010-02-02