酸化物ナノ機能物性の抽出を目指した絶縁性単結晶酸化物ナノワイヤの創成

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26706005
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 長島 一樹 九州大学, 先導物質化学研究所, 助教 (10585988)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: 酸化物ナノワイヤ / VLS成長 / 絶縁体

Outline of Annual Research Achievements

単結晶酸化物ナノワイヤは多彩な機能物性及び大気・水中での化学的安定性から、近年急速に注目を集めている研究分野である。本研究では、酸化物ナノワイヤが本来有するナノ機能物性の抽出・応用展開において根本的な障壁となっていた格子欠陥形成メカニズムを解明・制御し、極めて格子欠陥の少ない高結晶性絶縁体単結晶酸化物ナノワイヤを創成することを目的とする。当該年度は酸化物ナノワイヤにおいて最も研究が進んでいる材料の1つである酸化スズ(SnO2)ナノワイヤにおいて、酸化物ナノワイヤ結晶成長(気液固成長)中に共存する2つの結晶成長界面(固液界面・気固界面)により形成される結晶の差異に着目し、UV吸収測定(バンドギャップ)、単一ナノワイヤ多端子測定法(伝導性の空間分布)、電界効果トランジスタ素子測定(キャリア密度・移動度)、透過電子顕微鏡断面エネルギー損失分光(化学組成の空間分布)など多角的な評価を行うことにより、気固界面における結晶成長が格子欠陥を形成する決定的な実験証拠を得ることに成功した。加えて、明らかにした結晶成長メカニズムに基づき結晶成長制御を行った結果、従来比で低結晶性に由来する電気伝導度を7桁低減することに成功した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

H27年度は①種々の物性測定手法により単結晶酸化物ナノワイヤを多角的に評価し、格子欠陥形成メカニズムを解明すること、②格子欠陥を劇的に抑制した高結晶性絶縁体酸化物ナノワイヤを創成すること、の2点を当初の目的としていたが、伝導性・化学組成の空間分布評価を行い、臨界核結晶成長メカニズムとの相関性を検証することで格子欠陥形成メカニズムの本質に迫る実験結果を得ることに成功し、従来抑制が困難であった低結晶性に由来する電気伝導度を劇的に低減することに成功したため。

Strategy for Future Research Activity

前年度までに作製・評価した単結晶酸化物ナノワイヤを種々の物性測定手法により多角的に評価し、格子欠陥形成メカニズムの更なる解明を試みる。具体的には、前年度までに一定の成果が得られているUV吸収測定、単一ナノワイヤ多端子測定法、電界効果トランジスタ素子測定、透過電子顕微鏡エネルギー損失分光法を種々の酸化物ナノワイヤ材料に適用し、現在までに明らかにしている格子欠陥形成メカニズムの深化を目指すと共に普遍性を検証する。加えて前年度創成に成功している高結晶性絶縁体酸化物ナノワイヤを用いて、本研究課題の最終目標である新奇ナノ機能物性の探索を開始する。

Research Products

• [Journal Article] Rational Concept for Designing Vapor-Liquid-Solid Growth of Metal Oxide Nanowires (2015)
  • Author(s): A. Klamchuen, M. Suzuki, K. Nagashima, H. Yoshida, M. Kanai, F. W. Zhuge, Y. He, G. Meng, S. Kai, S. Takeda, T. Kawai and T. Yanagida
  • Journal Title: Nano Letters Volume: 15 Pages: 6406-6412
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b01604
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Lowering the Growth Temperature of Vapor-liquid-solid Oxide Nanowires (2016)
  • Author(s): 長島 一樹, Zetao Zhu, Gang Meng, 金井 真樹, 安西 宇宙, Fuwei Zhuge, Yong He, 柳田 剛
  • Organizer: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東京工業大学
  • Year and Date: 2016-03-19 – 2016-03-22
• [Presentation] 結晶成長界面が決定する単結晶SnO2ナノワイヤの電子輸送特性－VS界面対LS界面― (2016)
  • Author(s): 安西 宇宙, 長島 一樹, Fuwei Zhuge, Gang Meng, 関 岳人, 柴田 直哉, 柳田 剛
  • Organizer: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東京工業大学
  • Year and Date: 2016-03-19 – 2016-03-22
• [Presentation] 単結晶酸化物ナノワイヤのナノ熱物性を活用した分子センサ (2016)
  • Author(s): Gang Meng, 長島 一樹, 金井 真樹, 柳田 剛
  • Organizer: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東京工業大学
  • Year and Date: 2016-03-19 – 2016-03-22
• [Presentation] 3ω法を用いたQuasi-Ballistic領域におけるシリコンナノワイヤの熱輸送特性解析 (2016)
  • Author(s): Fuwei Zhuge, 金井 真樹, 長島 一樹, 深田 直樹, 柳田 剛
  • Organizer: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東京工業大学
  • Year and Date: 2016-03-19 – 2016-03-22
• [Presentation] Single Crystalline Oxide Nanowires: Rational Design, Post-growth Assembly and Smart Application in Electronics (2016)
  • Author(s): K. Nagashima, G. Meng, Y. He, F. W. Zhuge, M. Kanai and T. Yanagida
  • Organizer: 2nd Annual World Congress of Smart Materials-2016
  • Place of Presentation: Singapore
  • Year and Date: 2016-03-04 – 2016-03-06
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Spatial inhomogeneity of conduction property in single crystalline oxide nanowires (2016)
  • Author(s): H. Anzai, K. Nagashima, F. W. Zhuge, G. Meng, T. Seki, N. Shibata, T. Yangida
  • Organizer: 2016 IMCE International Symposium
  • Place of Presentation: Kyushu University
  • Year and Date: 2016-01-27 – 2016-01-27
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Unveiled experimental design rule for vapor-liquid-solid oxide nanowire growth (2015)
  • Author(s): A. Klamchuen, K. Nagashima, M. Suzuki, H. Yoshida, M. Kanai, G. Meng, F. W. Zhuge, Y. He, S. Kai, S. Takeda, T. Kawai and T. Yanagida
  • Organizer: The International Chemical Congress of Pacific Basin Society
  • Place of Presentation: USA
  • Year and Date: 2015-12-15 – 2015-12-20
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Nanowires alignment on micrometer scale hydrophilic patterns by blade-coating method (2015)
  • Author(s): Y. He, K. Nagashima, M. Kanai, G. Meng, F. W. Zhuge, S. Rahong, X. Li, T. Kawai and T. Yanagida
  • Organizer: The International Chemical Congress of Pacific Basin Society
  • Place of Presentation: USA
  • Year and Date: 2015-12-15 – 2015-12-20
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Modulated transport properties in B-doped Si nanowires via rationally designed dopant inhomogeneity and its application in thermoelectrics (2015)
  • Author(s): F. W. Zhuge, N. Fukata, K. Uchida, K. Nagashima, M. Kanai, G. Meng, Y. He , S. Rahong, X. Li, T. Kawai and T. Yanagida
  • Organizer: The International Chemical Congress of Pacific Basin Society
  • Place of Presentation: USA
  • Year and Date: 2015-12-15 – 2015-12-20
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Gigantic reduction of energy consumption of volatile molecule sensors by pulse-heating of SnO2 nanowire device with microsecond thermal relaxation time (2015)
  • Author(s): G. Meng, K. Nagashima, F. W. Zhuge, M. Kanai, Y. He, T. Takahashi, K. Uchida and T. Yanagida
  • Organizer: The International Chemical Congress of Pacific Basin Society
  • Place of Presentation: USA
  • Year and Date: 2015-12-15 – 2015-12-20
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Origin of Electrical Conduction in Single Crystalline Oxide Nanowires (2015)
  • Author(s): H. Anzai, K. Nagashima, G. Meng, F. W. Zhuge and T. Yanagida
  • Organizer: Cross Straits Symposium on Energy and Environmental Science and Technology
  • Place of Presentation: Kyushu Univeristy
  • Year and Date: 2015-12-02 – 2015-12-03
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Fundamental Strategy to Succeed a Vapor-Liquid-Solid Nanowire Growth (2015)
  • Author(s): T. Yanagida, K. Nagashima, H. Yong, F. W. Zhuge, M. Kanai and A. Klamchuen
  • Organizer: International Conference on Solid State Devices and Materials
  • Place of Presentation: Sapporo Convention Center
  • Year and Date: 2015-09-27 – 2015-09-30
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ナノ熱管理工学による低消費エネルギー駆動のナノワイヤセンサ (2015)
  • Author(s): Meng Gang, 長島 一樹, 高橋 綱己, 内田 健, 柳田 剛
  • Organizer: 第76回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場
  • Year and Date: 2015-09-13 – 2015-09-16
• [Presentation] Gigantic Reduction of Energy Consumption of Molecule Sensors by Pulse-heating of Suspended SnO2 Nanowire Device (2015)
  • Author(s): Gang Meng, 長島 一樹, Fuwei Zhuge, 金井 真樹, Yong He, 中尾 厚夫, 川合 知二, 柳田 剛
  • Organizer: 九州大学先導物質化学研究所・九州シンクロトロン光研究センター合同シンポジウム
  • Place of Presentation: サンメッセ鳥栖
  • Year and Date: 2015-08-28 – 2015-08-28
• [Presentation] Thermal transport and dissipation characteristics in Si nanowire devices (2015)
  • Author(s): Fuwei Zhuge, 金井 真樹, 長島 一樹, Gang Meng, Yong He, 深田 直樹, 内田 建, 柳田 剛
  • Organizer: 九州大学先導物質化学研究所・九州シンクロトロン光研究センター合同シンポジウム
  • Place of Presentation: サンメッセ鳥栖
  • Year and Date: 2015-08-28 – 2015-08-28
• [Presentation] A Oxide Nanowire for Probing Nanoscale Memristive Switching (2015)
  • Author(s): K. Nagashima, T. Yanagida, M. Kanai and T. Kawai
  • Organizer: IEEE nano 2015 15th International Conference on Nanotechnology
  • Place of Presentation: Italy
  • Year and Date: 2015-07-27 – 2015-07-30
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Book] Magnetic Nano- and Microwires, Design, Synthesis, Properties and Applications, Ch16: Oxide nanowires for non-volatile memory applications (2015)
  • Author(s): K. Nagashima, T. Yanagida
  • Total Pages: 870
  • Publisher: Woodhead Publishing