2017 Fiscal Year Annual Research Report
Creation and development of high-order nano-space structures through innovative control of stress field
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17H06146
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
巨 陽 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (60312609)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
森田 康之 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (90380534)
細井 厚志 早稲田大学, 理工学術院, 助手 (60424800)
徳 悠葵 名古屋大学, 工学研究科, 助教 (60750180)
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| Project Period (FY) |
2017-05-31 – 2022-03-31
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| Keywords | ナノ空間構造体 / 応力場制御 / 原子拡散 / 透明導電膜 / 太陽光水素製造 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
（１）高密度、高品質、単結晶Alナノワイヤアレイの創製 Si基板上に10～100nmのAl薄膜を形成し、大気中で試料を200～400℃で2～4時間加熱し、応力集中により誘起される高度な応力勾配を駆使した単結晶Alナノワイヤアレイの高密度生成を実現した。さらに、ナノワイヤの密度、直径、アスペクト比とAl薄膜の厚さ、加熱温度、時間との関係を明らかにしたうえで、ナノワイヤアレイ生成の最適条件を決定した。
（２）高秩序、高品質、半導体Cu2Oナノフラワーの創製 厚さ300μmのCu基板の表面上に、応力酸化誘導法により３次元Cu2Oナノフラワーの創成を実現した。また、加熱温度および湿度を調整することにより、Cu原子の拡散速度および表面酸化速度の制御を実現し、Cu2Oナノフラワー成長に最適なプロセスを確立した。
（３）応力勾配の形成機構と原子拡散速度の影響因子の解明 Al薄膜の厚さや、Cu基板表面の酸化膜の厚さ、加熱温度に応じて応力の勾配が変化するため、ナノワイヤおよびナノフラワー形成に左右する応力場の解析を行った。さらに、ナノ空間構造体の形成に及ぼす原子拡散速度の影響を解明し、ナノ空間構造体成長の最適条件を明らかにした。
（４）表面酸化膜の性状がナノ空間構造体形成に及ぼす影響の解明 ナノ空間構造体の形状や密度は金属材料の表面酸化膜の性状に影響を受けるため、ナノ空間構造の形成過程における表面酸化膜の応力状態の計測を行った。また、酸化膜の原子濃度が金属原子の拡散に及ぼす影響をシミュレーションにより解析した。さらに、表面酸化膜における原子密度とナノ空間構造体の生成および形状決定との関係を明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
当初予定されていた本年度の研究計画が順調に実施されており、高密度かつ高品質なAlナノワイヤアレイおよびCu2Oナノフラワーの創製に成功した。また、ナノ空間構造体の形状に関する応力場の解析やメカニズムの解明にも着実な成果を挙げている。一方、応力酸化誘導法を更に発展させ、将来の太陽光水素製造を見越して、新たに高密度単結晶Fe2O3ナノワイヤアレイの創製にも成功した。
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| Strategy for Future Research Activity |
（Ⅰ）高品質、単結晶金属ナノワイヤアレイ作製条件の最適化
基板の加熱温度や加熱時間、そして成長領域と非成長領域での金属薄膜の厚さが成長領域における金属薄膜中の応力勾配に及ぼす影響を実験的かつ理論的に解明し、単結晶金属ナノワイヤアレイ作製条件の最適化を実現する。さらに、成長領域の金属薄膜厚さがナノワイヤの直径、アスペクト比に及ぼす影響を明らかにし、単結晶金属ナノワイヤアレイのスペックの制御を実現する。
（Ⅱ）半導体ナノフラワー配列の作製手法の確立
Cu/Ta/SiO2/Si基板上に、電子ビーム蒸着法により直径20μm～2mm、厚さ200～600nmのNi/Cuコアシェル複合パターンを形成する。また、最適化されているCu2Oナノフラワーの生成条件で試料を加熱し、各形態のCu2Oナノフラワー配列を形成するとともに従来のCu2Oナノフラワーと比較し、触媒Niの性状がCu2Oナノフラワーの形成に及ぼす影響を明らかにする。さらに、これらの研究成果を踏まえ、ZnO、Fe2O3ナノフラワーを創製することにより、高秩序、高品質、高密度の半導体ナノフラワー配列の作製手法を確立する。
（Ⅲ）原子配列の密度がナノ空間構造体の形成に及ぼす影響の解明
金属薄膜および金属基板の原子配列の密度は応力勾配の大きさとともに原子の拡散速度に影響を及ぼす。また、生成されたナノ空間構造体の表面酸化物の原子配列の密度が内部金属原子の析出や新しい酸化膜の形成にも重要な役割を果たし、ナノ空間構造体の根元から押し出す生成と上端から覆う酸化生成を決定する要因である。そこで、各温度状態における原子密度の変化を考慮に入れ、原子配列の密度を動力学的解析により明らかにし、ナノ空間構造体の成長と形成に最適な条件を特定する。
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