2015 Fiscal Year Annual Research Report
金ナノ粒子の光学的マニピュレーションによる光機能性高感度センシングデバイスの開発
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15J04707
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
渡邊 真司 九州大学, システム情報科学研究院, 特別研究員(DC2)
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| Project Period (FY) |
2015-04-24 – 2017-03-31
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| Keywords | 微細構造制御 / 光成長 / 低次元構造 / 偏光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成27年度に行った研究の目的は，従来の酸化物半導体ガスセンサでは不十分であった高い応答速度と感度の両立を目指した，金属の実用的なナノ構造制御手法の確立である．このような高度なガスセンサの実現は，空気中に漂う化学物質のリアルタイムなモニタリングを可能とし，ひいては人の健康状態や農作物の生育状態などを今まで以上に高度に管理することが可能になると考えられ，医療や農業の分野を中心に大きな技術的革新をもたらすことが期待される．
高感度で高速なガスセンシングを実現すると考えられる光機能性センシングデバイスの実現のために，その骨格となる金属の配向性低次元構造の作製手法を検討した．配向性低次元構造とは，一つの方向に配向して並んだ細線様の構造のことを意味している．ここでは偏光と呼ばれる電界方向の偏った光を使い，成長の核となる金のナノ粒子近傍に発生した局在電場による金属の異方成長を提案し，実際にこの方法でナノレベルの構造の配向性を制御可能であることを示した．予め基板上に成長核の金ナノ粒子を適切な間隔で配置した後に，上記の方法で特定の方向に配向するように異方成長させることで，高感度な化学センシングに必要とされる低次元構造の骨格を形成し，それが二次元上に平行に並ぶことで応答の安定性を確保できると考えられる．
このように光を使ってナノ構造を制御する方法は，電子線リソグラフィなどと比べてシンプルでかつ低コストであり，さらに大面積を同時に処理できるという点で優れているため，センシングデバイスのような実用を目的とした場合には不可欠である．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
ここまでの研究では，当初の研究計画と大きく内容を違えることはなく，進捗の状況も想定通りである．偏光を用いた配向性構造の検討は計画には触れる程度で詳述はしていないが，線上の導電パスはメッシュ状の導電パスよりも原理的に高感度であり，また単一のナノワイヤで問題となる応答の安定性も，この手法では二次元上にワイヤを並べることによって解決できるため，研究の最終目標である高感度センシングデバイスの実現に必要であると判断し，重点的に研究を行った次第である．
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに，目標とする光機能性高感度センシングデバイスの骨格となる構造として，金属の配向性低次元構造の実現を目指して偏光を用いた異方成長という新しい構造制御手段を検討してきた．この骨格のギャップ部分を光機能性材料によって架橋することで，金属部分が光を効率的に捕集して光機能性材料を活性化させ，そこでの化学物質との相互作用を低次元構造によって高感度に信号変換することができる．このような構造の実現のためには解決すべき課題があり，それは「異方成長した金属ナノ構造の配向性・結晶性の向上」と「光機能性材料との複合」である．そこで，成長の核となる金微粒子をあらかじめ基板に固定した酸化チタン粒子の表面に化学的な方法で生成し，そこに偏光による異方成長を適用することによって，核の高い結晶性と清浄さによる成長後の配向性の向上を提案している．この方法では，核の担体とした酸化チタンが光によって化学活性を持つ光機能性材料であるため，先に金属骨格を形成した後にトラップする方法よりもシンプルに複合構造を作製することが可能であると考えられる．今後はこのようにして光機能性高感度センシングを実現するような構造を作製し，実際に揮発性有機化合物に対して高い感度と応答速度を実証することを目的とし，研究を行う所存である．
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