Synthesis of Insulative Single Crystalline Oxide Nanowires for Extracting Nanoscale Properties of Oxides

2016 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 / 単結晶 / VLS成長 / 固液界面

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。当該年度は酸化スズ(SnO2)ナノワイヤにおいて、前年度までに得られた結晶成長界面(固液界面・気固界面)に由来する巨大な電気伝導度の差異の起源を追究するため、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)、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)を用いた多角的な評価を行うと共に、分子動力学シミュレーションによる結晶成長の微視的挙動の解明に取り組んだ。その結果、①新たに制御形成したナノワイヤ構造体において、前年度までに得られた気固界面格子欠陥導入モデルよりと一致する実験的・理論的結果が得られ、②固液界面のみから成るナノワイヤ結晶成長を実現することにより、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に成功し、③本結果が、固液界面のみで生じる界面アニーリング効果に起因することを明らかにした。更に本研究で明らかにした結晶成長メカニズムに基づいて各種単結晶酸化物ナノワイヤ(MgO, ZnO, SnO2, NiOなど)の低温成長法を確立し、従来法では困難であったITOガラスやポリイミド基板上での単結晶酸化物ナノワイヤ成長を実現した。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

H28年度は①種々の物性測定手法により各種単結晶酸化物ナノワイヤ結晶成長を多角的に評価し、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、臨界核結晶成長メカニズムに基づくナノワイヤ結晶成長制御、および数値シミュレーションにより格子欠陥形成メカニズムを微視的レベルから解明することに成功し、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の創成に成功している。更に本研究で明らかにした結晶成長メカニズムに基づいて、各種単結晶酸化物ナノワイヤ成長において適用可能な低温成長法を新たに構築することに成功したため。

Strategy for Future Research Activity

前年度までに作製・評価を行ってきた単結晶酸化物ナノワイヤの格子欠陥形成メカニズムの解明を更に推し進め、ナノ機能物性実現の基礎となる格子欠陥種の解明と制御を行う。具体的には電子スピン共鳴法（ESR）や蛍光分光法、赤外分光法などの各種高感度分光法を従来の電気伝導特性評価法と相補的に行い検証する。加えて、前年度までに明らかにした液固界面・気固界面結晶成長メカニズムに基づいて、形成される結晶性の差異を利用した新規ナノ機能物性の探索を行う。

Research Products

• [Journal Article] Nanoscale Thermal Management of Single SnO2 Nanowire: pico-Joule Energy Consumed Molecule Sensor (2016)
  • Author(s): G. Meng, F. W. Zhuge, K. Nagashima, A. Nakao, M. Kanai, Y. He, M. Boudot, T. Takahashi, K. Uchida and T. Yanagida
  • Journal Title: ACS Sensors Volume: 1 Pages: 997-1002
  • DOI: DOI: 10.1021/acssensors.6b00364
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Tailoring Nucleation at Two Interfaces Enables Single Crystalline NiO Nanowires via Vapor-Liquid-Solid Route (2016)
  • Author(s): K. Nagashima, H. Yoshida, A. Klamchuen, M. Kanai, G. Meng, F. W. Zhuge, Y. He, H. Anzai, Z. Zhu, M. Suzuki, M. Boudot, S. Takeda and T. Yanagida
  • Journal Title: ACS Applied Materials & Interfaces Volume: 8 Pages: 27892-27899
  • DOI: DOI: 10.1021/acsami.6b09761
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Rational Concept for Reducing Growth Temperature in Vapor-Liquid-Solid Process of Metal Oxide Nanowires (2016)
  • Author(s): Z. Zhu, M. Suzuki, K. Nagashima, H. Yoshida, M. Kanai, G. Meng, H. Anzai, F. W. Zhuge, Y. He, M. Boudot, S. Takeda and T. Yanagida
  • Journal Title: Nano Letters Volume: 16 Pages: 7495-7502
  • DOI: DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b03227
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 固液界面アニール現象を利用した単結晶酸化物ナノワイヤのUnintentional Dopingの劇的抑制と超高純度化の実現 (2017)
  • Author(s): 安西 宇宙, 長島 一樹, 鈴木 将, Zetao Zhu, 金井 真樹, Yong He, Guozhu Zhang, 鐘本 勝一, 関 岳人, 柴田 直哉, 柳田 剛
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜
  • Year and Date: 2017-03-14 – 2017-03-17
• [Presentation] Investigation on Physical Properties of Low Temperature Grown VLS Oxide Nanowires (2017)
  • Author(s): Zetao Zhu, 長島 一樹, 吉田 秀人, 安西 宇宙, 酒井 大樹, 井上 暉英, 中村 千枝, 金井 真樹, Yong He, 竹田 精治, 柳田 剛
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜
  • Year and Date: 2017-03-14 – 2017-03-17
• [Presentation] 単結晶ZnOナノワイヤの表面準位を活用した肺がんマーカー分子を超高感度で識別するナノワイヤFET分子センサ (2017)
  • Author(s): Yong He, 長島 一樹, 高橋 綱己, Guozhu Zhang, 金井 真樹, 寺尾 潤, 内田 健, 柳田 剛
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜
  • Year and Date: 2017-03-14 – 2017-03-17
• [Presentation] 錯イオン種の空間設計による水熱合成ZnOナノワイヤ成長の増強効果 (2017)
  • Author(s): 酒井 大樹, 長島 一樹, Guozhu Zhang, Yong He , 井上 暉英, 中村 千枝, 金井 真樹, 柳田 剛
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜
  • Year and Date: 2017-03-14 – 2017-03-17
• [Presentation] 肺がんマーカー：アルデヒド分子における炭素１個の差異を識別するZnOナノワイヤ分子認識界面の創成 (2017)
  • Author(s): 中村 千枝, 長島 一樹, Guozhu Zhang, 井上 暉英, Yong He, 酒井 大樹, 金井 真樹, 柳田 剛
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜
  • Year and Date: 2017-03-14 – 2017-03-17
• [Presentation] 呼気診断デバイスに向けたケトン基の分子内空間部位の識別を可能にする酸化物ナノワイヤ分子認識界面の創出 (2017)
  • Author(s): 井上 暉英, 長島 一樹, 中村 千枝, 酒井 大樹, Yong He, Guozhu Zhang, 金井 真樹, 柳田 剛
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜
  • Year and Date: 2017-03-14 – 2017-03-17
• [Presentation] 低性能酸化物ナノワイヤFET センサを用いた肺がんマーカーの超高感度検出 (2017)
  • Author(s): Yong He, 長島 一樹, 高橋 綱己, Guozhu Zhang, 金井 真樹, 寺尾 潤, 内田 建, 柳田 剛
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜
  • Year and Date: 2017-03-14 – 2017-03-17
• [Presentation] 分子指紋を利用した高選択的ナノワイヤ分子濃縮器の創成 (2017)
  • Author(s): Yong He, 長島 一樹, 劉 傳軍, 高橋 綱己, Guozhu Zhang , 矢田部 塁, 金井 真樹, 都甲 潔, 柳田 剛
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜
  • Year and Date: 2017-03-14 – 2017-03-17
• [Presentation] Optical and Electrical Properties of Low Temperature Grown VLS Oxide Nanowires via Material Flux Window Concept (2017)
  • Author(s): Zetao Zhu, 長島 一樹, 吉田 秀人, 安西 宇宙, 酒井 大樹, 井上 暉英, 中村 千枝, 金井 真樹, Yong He, 竹田 精治, 柳田 剛
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜
  • Year and Date: 2017-03-14 – 2017-03-17
• [Presentation] Universal Design Concept for Single Crystalline Oxide Nanowires Growth (2017)
  • Author(s): K. Nagashima, Z. Zhu, D. Sakai, A. Inoue, C. Nakamura, A. Klamchuen, M. Suzuki, H. Anzai, H. Yoshida, M. Kanai, Y. He, S. Takeda and T. Yanagida
  • Organizer: International Symposium on Materials for Chemistry and Engineering (IMCE 2017)
  • Place of Presentation: Kyushu University, Fukuoka, Japan
  • Year and Date: 2017-02-03
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Crucial Role of NH3 Addition on Hydrothermal Zinc Oxide Nanowires Growth (2017)
  • Author(s): D. Sakai, Y. He, K. Nagashima, G. Zhang, A. Inoue, C. Nakamura, M. Kanai and T. Yanagida
  • Organizer: International Symposium on Materials for Chemistry and Engineering (IMCE 2017)
  • Place of Presentation: Kyushu University, Fukuoka, Japan
  • Year and Date: 2017-02-03
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Discrimination of Intramolecular Ketone Group Position by Zinc Oxide Nanowires Surface (2017)
  • Author(s): A. Inoue, K. Nagashima, C. Nakamura, D. Sakai, Y. He, G. Zhang, M. Kanai and T. Yanagida
  • Organizer: International Symposium on Materials for Chemistry and Engineering (IMCE 2017)
  • Place of Presentation: Kyushu University, Fukuoka, Japan
  • Year and Date: 2017-02-03
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Discrimination of Aldehyde Molecules with Different Chain Length by Adsorption and Desorption Phenomena at Oxide Nanowires Surface (2017)
  • Author(s): C. Nakamura, K. Nagashima, Y. He, G. Zhang, A. Inoue, D. Sakai, M. Kanai and T. Yanagida
  • Organizer: International Symposium on Materials for Chemistry and Engineering (IMCE 2017)
  • Place of Presentation: Kyushu University, Fukuoka, Japan
  • Year and Date: 2017-02-03
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Spatiotemporal Nanoscale Thermal Management for Ultra Low Energy Consumed Oxide Nanowire Sensor (2017)
  • Author(s): K. Nagashima, G. Meng, F. W. Zhuge, M. Kanai, Y. He, M. Boudot, T. Takahashi, K. Uchida and T. Yanagida
  • Organizer: International Symposium on Materials for Chemistry and Engineering (IMCE 2017)
  • Place of Presentation: Fukuoka, Japan
  • Year and Date: 2017-02-03
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] True Vapor-Liquid-Solid Process Prevents Unintentional Doping of Single Crystalline SnO2 Nanowires (2017)
  • Author(s): H. Anzai, K. Nagashima, M. Suzuki, G. Meng, Z. Zhu, F. W. Zhuge, K. Kanemoto, T. Seki, N. Shibata and T. Yanagida
  • Organizer: International Symposium on Materials for Chemistry and Engineering (IMCE 2017)
  • Place of Presentation: Kyushu University, Fukuoka, Japan
  • Year and Date: 2017-02-03
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Z. Zhu, M. Suzuki, K. Nagashima, G. Meng, M. Kanai, H. Anzai, F. W. Zhuge, Y. He and T. Yanagida (2017)
  • Author(s): Rational Concept for Reducing Growth Temperature of Vapor-Liquid-Solid Metal Oxide Nanowire Growth
  • Organizer: International Symposium on Materials for Chemistry and Engineering (IMCE 2017)
  • Place of Presentation: Kyushu University, Fukuoka, Japan
  • Year and Date: 2017-02-03
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 界面キャリア拡散効果を利用したSiナノワイヤ熱電デバイスの高性能化 (2017)
  • Author(s): 長島 一樹, Fuwei Zhuge, 高橋 綱己, 井上 暉英, 中村 千枝, 酒井 大樹, 深田 直樹, 内田 建, 柳田 剛
  • Organizer: 九州大学エネルギーウィーク2017
  • Place of Presentation: 九州大学
  • Year and Date: 2017-01-31
• [Presentation] Crucial Role of Crystal Growth Interface on Conduction Property of Vapor-liquid-Solid Oxide Nanowires (2016)
  • Author(s): H. Anzai, K. Nagashima, G. Meng, F. W. Zhuge, T. Seki, N. Shibata and T. Yangida
  • Organizer: Material Research Society Fall Meeting 2016
  • Place of Presentation: Hynes Convention Center, Boston, USA
  • Year and Date: 2016-11-27 – 2016-12-02
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Rational Concept for Reducing Growth Temperature of Vapor-Liquid-Solid Metal Oxide Nanowire Growth (2016)
  • Author(s): K. Nagashima, Z. Zhu, M. Suzuki, G. Meng, M. Kanai, H. Anzai, F. W. Zhuge, Y. He and T. Yanagida
  • Organizer: Material Research Society Fall Meeting 2016
  • Place of Presentation: Hynes Convention Center, Boston, USA
  • Year and Date: 2016-11-27 – 2016-12-02
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ‘Material Flux Window Principle’ for Designing A Vapor-Liquid-Solid Metal Oxide Nanowire Growth (2016)
  • Author(s): K. Nagashima, A. Klamchuen, M. Suzuki, H. Yoshida, M. Kanai, G. Meng, F. W. Zhuge, Y. He, S. Kai, S. Takeda, T. Kawai and T. Yanagida
  • Organizer: Material Research Society Fall Meeting 2016
  • Place of Presentation: Hynes Convention Center, Boston, USA
  • Year and Date: 2016-11-27 – 2016-12-02
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Ultra Low Energy Consumption of SnO2 Nanowire Sensor by Nanoscale Thermal Management (2016)
  • Author(s): K. Nagashima, G. Meng, F. W. Zhuge, A. Nakao, M. Kanai, Y. He, M. Boudot, T. Takahashi, K. Uchida and T. Yanagida
  • Organizer: Material Research Society Fall Meeting 2016
  • Place of Presentation: Hynes Convention Center, Boston, USA
  • Year and Date: 2016-11-27 – 2016-12-02
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ナノスケール熱制御による高感度・超省エネルギー酸化物ナノワイヤセンサ設計 (2016)
  • Author(s): 長島 一樹, Gang Meng, Fuwei Zhuge, 金井 真樹, 高橋綱己, 内田 建, 柳田 剛
  • Organizer: 第4回アライアンス若手交流会～アライアンス（若手）の再考～
  • Place of Presentation: 北海道大学
  • Year and Date: 2016-11-09
  • Invited
• [Presentation] Universal Design Rule for Single Crystalline Oxide Nanowires Growth (2016)
  • Author(s): K. Nagashima, H. Anzai, D. Sakai, Z. Zhu, A. Inoue, C. Nakamura, A. Klamchuen, M. Suzuki, H. Yoshida, M. Kanai, G. Meng, F. W. Zhuge, Y. He, S. Takeda, T. Kawai and T. Yanagida
  • Organizer: 29th International Microprocesses and Nanotechnology Conference
  • Place of Presentation: ANA Crowne Plaza Kyoto, Japan
  • Year and Date: 2016-11-08 – 2016-11-11
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Gigantic Electrical Response to ppb Level Lung Cancer Marker by Oxide-Organic Hybrid Nanowire FET Sensor (2016)
  • Author(s): Yong He, 長島一樹, 金井真樹, Mickael Boudot, Gang Meng, Fuwei Zhuge, 高橋綱己, 内田 建, 柳田 剛
  • Organizer: 第7回分子アーキテクト二クス研究会
  • Place of Presentation: 九州大学
  • Year and Date: 2016-10-20 – 2016-10-21
• [Presentation] Rational Concept for Reducing Growth Temperature in Vapor-Liquid-Solid Process of Metal Oxide Nanowires (2016)
  • Author(s): Zetao Zhu, 鈴木 将, 長島一樹, 金井真樹, Gang Meng, 安西宇宙, Fuwei Zhuge, Yong He, Mickael Boudot, 柳田 剛
  • Organizer: 第7回分子アーキテクト二クス研究会
  • Place of Presentation: 九州大学
  • Year and Date: 2016-10-20 – 2016-10-21
• [Presentation] 結晶成長界面が決定する単結晶SnO2ナノワイヤにおける電子輸送特性 (2016)
  • Author(s): 安西宇宙, 長島一樹, 鈴木 将, Gang Meng, Fuwei Zhuge, 鐘本勝一, 関 岳人, 柴田直哉, 柳田 剛
  • Organizer: 第7回分子アーキテクト二クス研究会
  • Place of Presentation: 九州大学
  • Year and Date: 2016-10-20 – 2016-10-21
• [Presentation] 酸化物ナノワイヤ表面における分子吸脱着現象を介した分子官能基の識別 (2016)
  • Author(s): 中村千枝, 長島一樹, Mickael Boudot, Yong He, Guozhu Zhang, 金井真樹, 柳田 剛
  • Organizer: 酸化物ナノワイヤ表面における揮発性有機分子吸脱着メカニズムの解明
  • Place of Presentation: 九州大学
  • Year and Date: 2016-10-20 – 2016-10-21
• [Presentation] Thermal Management of SnO2 Nanowire Sensor utilizing “Microsecond Thermal Relaxation Time” and “Reduced Thermal Conductivity” (2016)
  • Author(s): G. Meng, K. Nagashima, M. Kanai and T. Yanagida
  • Organizer: 2016 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM2016)
  • Place of Presentation: Tsukuba International Congress Center, Japan
  • Year and Date: 2016-09-26 – 2016-09-29
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 単結晶酸化物ナノワイヤのVLS結晶成長における低温化の理論設計指針 (2016)
  • Author(s): Zetao Zhu, 長島一樹, 鈴木 将, 金井真樹, 柳田 剛
  • Organizer: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ
  • Year and Date: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [Presentation] VLS法を用いた単結晶SnO2ナノワイヤにおける二つの結晶成長界面が決定する組成空間分布と電子輸送特性 (2016)
  • Author(s): 安西宇宙, 長島一樹, Gang Meng, Fuwei Zhuge, 鐘本勝一, 関 岳人, 柴田直哉, 柳田 剛
  • Organizer: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ
  • Year and Date: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [Presentation] ナノスケール熱制御による高感度・省エネルギー酸化物ナノワイヤ分子センサ設計 (2016)
  • Author(s): Gang Meng, Fuwei Zhuge, 長島一樹, 金井真樹, 高橋綱己, 内田 建, 柳田 剛
  • Organizer: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ
  • Year and Date: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [Presentation] Rational Control of Conductivity of Indium-free Transparent Conductive Oxide Nanowires (2016)
  • Author(s): H. Anzai, K. Nagashima, G. Meng, F. W. Zhuge, T. Seki, N. Shibata and T. Yanagida
  • Organizer: KJF International Conference on Organic Materials for Electronics and Photonics 2016
  • Place of Presentation: ACROS Fukuoka, Japan
  • Year and Date: 2016-09-04 – 2016-09-07
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 単結晶酸化物ナノワイヤにおける2つの結晶成長界面が有する相反する電子輸送特性 (2016)
  • Author(s): 安西宇宙, 長島一樹, Zetao Zhu, Gang Meng, 金井真樹, Fuwei Zhuge, Yong He, 関 岳人, 柴田直哉, 柳田 剛
  • Organizer: 九州表面・真空研究会2016
  • Place of Presentation: 九州大学筑紫キャンパス
  • Year and Date: 2016-06-11
• [Remarks] Kazuki Nagashima's page
  • URL: http://knagashima.weebly.com/