| 研究課題/領域番号 |
26390102
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| 研究機関 | 名古屋工業大学 |
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研究代表者 |
市川 洋 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (10314072)
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| 研究分担者 |
市村 正也 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (30203110)
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| 研究期間 (年度) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| キーワード | ZnOナノロッド / Ｘ字状成長 / フォースセンサー |
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| 研究実績の概要 |
本研究の目的は、酸化亜鉛（ZnO）ナノロッドを、ロッドどうしが交差した”Ｘ字状“になるように成長させ、Ｘ字状ナノロッドを電極で挟み込んで、フォース印加に対して高感度フォースセンサーの創成が本研究の目的である。そのために、ZnOナノロッドＸ字状成長のメカニズム解明、作製条件の最適化、ナノロッド先端を紫外線レーザーで溶融して行うナノロッド先端への電極形成技術を確立を行う。本年度は、１）Ｘ字状ZnOナノロッド成長が得られる最適条件の確立、その実験結果から示唆される成長メカニズムの確定、２）紫外線レーザーを用いた溶融プロセスからのフォースセンサーを構成するZnOナノロッド先端への電極形成技術の確立を中心に研究を行った。
１）ZnOナノロッドのＸ字状成長については、水熱合成法により作製するZnOナノロッドは、c軸方向への成長速度が速く、デバイス応用は基板に対し垂直なナノロッド群に限られており、成長制御性に課題がある。本研究では、ナノロッドの成長方向制御のために基板種類に着目し、ZnOと格子整合の良いサファイア基板について、基板面方位に対するナノロッド成長方向の依存性を調査した。その結果、ZnOナノロッドは、C面およびA面上には基板に垂直方向に成長するが、R面上には基板に対し斜方向に成長し、Ｘ字状に配向することが分かった。この成長方向の変化はシード層ZnO薄膜の配向性に依存したものであり、ナノロッドの成長方向を制御し変化させるには、シードの配向性を制御することが重要となることが示唆された。
２）ZnOナノロッド先端への溶融層形成については、Nd:YAGレーザーからの波長355nm紫外線パルス光を照射し、ロッド先端が溶融過程を追跡した。ナノロッドの先端にレーザーパルス光の電界が集中し、加熱され球状に溶融し、やがて隣のロッド先端と融合して連続になって膜状化することがわかった。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
１）ZnOナノロッドのＸ字状成長については、A面、C面、R面サファイア基板上に、スパッタ法でZnO薄膜をシード層とした水熱合成法によりZnOナノロッドを作製した結果、次のことが分かった。(1)A面、C面サファイア基板上には、シード層の表面形状に関わらず、基板に垂直にZnOナノロッドが成長する。(2)R面サファイア基板上には、基板に対して斜めを向いたZnOナノロッドが成長する。(3)R面サファイア上の斜交ZnOナノロッドは、シード層の膜厚が100 nm程度で基板上に一様に配列して成長する。(4)水熱合成法により作製するZnOナノロッドの成長方向はシード層の配向性に強く依存する。これらの知見から、Ｘ字状ZnOナノロッド成長は、ほぼ設計通りに作製が可能になったといえる。
２）ZnOナノロッド先端への溶融層形成については、基板上に配向成長したZnOナノロッドに対して、10Hzで波長355nmの紫外線パルス光（パルス幅8ns）を照射したとき、0.1J/cm2のレーザーエネルギー密度でロッド先端の溶融が観られ、レーザーエネルギー密度の増加に伴い、溶融が進行し0.65J/cm2では先端同士が完全に結合した面、すなわち溶融層を形成できることが確認できた。これらの結果から、ほぼ本技術については最適条件を見いだすことができたといえる。しかしながら、Ｘ字状ZnOナノロッドへの照射や、ロッド密度が低いZnOナノロッドへの紫外線レーザー照射では、一様にナノロッドが溶融し、溶融層の形成が困難であることもわかってきた。
３）その他の事項として、溶融層に変わるものとして、グラフェンのZnOナノロッドへの転写を試み、電極層として使える目処が立った。
以上の成果は、審査有り論文２件、国内会議での発表６件、国際会議での発表７件にまとめることができたことから、おおむね計画が達成できたのではと考えている。
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| 今後の研究の推進方策 |
Ｈ２６年度の研究で、Ｘ字状ZnOナノロッド状への溶融層の形成については、紫外線レーザー光照射による溶融から連続化の過程が起こらず、溶融層形成が困難との課題が発生した。高感度フォースセンサー創成において、重要な項目であるので、Ｈ２７年度は、以下の様に研究を推進する方針である。
１）Ｘ字状ZnOナノロッドへの紫外線レーザー光の照射条件を再検討する。具体的には、垂直入射におけるレーザー照射エネルギー、照射時間だけでなく、斜め入射も行い、ナノロッド溶融過程を観察する。そして、電極層としての可否を見極め、可の場合は、予定通り、電導性の向上、接合性の向上を図る。
２）Ｘ字状ZnOナノロッド上への電極として、グラフェンの転写実験を本格的に深めていく。具体的には、機械的接着性の最適化条件を見いだすこと、電導性を保証するグラフェンの作製条件の最適化を図る。またグラフェンと酸化物（ZnOナノロッド）の接合は未踏の部分が多いので、ZnOナノロッドの電気特性、グラフェンとの電流－電圧特性を詳細に調べ、データの蓄積を図る。
これらのことを行いながら、年度後半には、フォースセンサーの試作を開始し、
３）ピエゾ抵抗変化からのフォースセンシングにおける高感度性の実証を行う。Ｘ字状ZnOナノロッドを電極で挟み、溶融層あるいはグラフェンの上部電極層にフォースを印加してナノロッドのピエゾ抵抗変化を調べる。最も電気ノイズが少なくなる条件を検討し、様々な方向からのフォースの印加に対する、ナノロッドのピエゾ抵抗変化を調べ、配向性ZnOナノロッドを用いたフォースセンサーを上回る高感度性を実証する。
４）圧電性ZnOナノロッド成長条件の最適化を行う。誘電性のZnOナノロッドをＸ字状成長させ、フォースセンサーを試作し、熱処理等のZnOナノロッドの圧電性向上に必要な条件が、素子特性に及ぼす影響を調べ、作製条件の最適化を図る。
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