【研究分野】電子デバイス・電子機器

【研究領域課題番号】17K14662 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

TMDC / FET / 自己組織化 / 先端機能デバイス / マイクロ・ナノデバイス / 表面・界面物性 / ナノ材料

【研究成果の概要】

本研究の目的は2次元有機/無機材料界面の制御による二硫化モリブデン（MoS2）電界効果トランジスタ（FET）の閾値電圧(Vth)調整と正のVth動作を実証する事である。ゲート電極に白金（Pt）金属を用い、酸化アルミニウム（AlOx）表面への自己組織化有機単分子膜（SAM）形成によって界面トラップを抑制し正のVth(0.15V)を実証した。Ptゲート電極はアルミニウム（Al）ゲート電極と比較して正の方向へ約1VのVthシフトを示し、PtとAlの仕事関数差を反映している。

【研究の社会的意義】

2次元半導体材料の二硫化モリブデン（MoS2）は移動度が高く、未結合手が無いため化学的、電気的に安定な材料である事から次世代低消費電力エレクトロニクスに向けたFETのチャネル材料として期待されている。本研究によって素子特性で最も重要な閾値電圧制御をMoS2 FETで確立し、正の閾値電圧を実証できた事は次世代低消費電力エレクトロニクスに向けた大きな一歩となり2次元半導体材料の可能性を示す事ができた考えている。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2017-04-01 - 2021-03-31

【配分額】4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)

【研究分野】ナノマイクロシステム

【研究領域課題番号】16H05973 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ペプチド / 原子薄膜 / バイオセンサ / 平面脂質膜 / 二硫化モリブデン / 自己組織化 / ２次元材料 / ナノバイオ / ナノ材料 / マイクロ・ナノデバイス / 生体材料

【研究成果の概要】

原子薄膜を生体分子で修飾した新しいセンサ界面の構築を目指した本研究では、ペプチドだけでなく脂質がMoS2原子薄膜の電子状態にどのような影響を与えるのかについての基礎情報を得ることに成功した。特に、MoS2がその界面における電気化学的なイオンの状態に敏感に反応し、その電子状態を変調させることがわかった。その変調は、表面の自己組織化ペプチドによっても変化することがわかり、ペプチドによる界面設計の可能性が示された。
今後は、より実用的なセンシングを可能にするため、形成する平面脂質膜をより多様な組成で形成する。その脂質膜に他の生体分子を修飾し、さらなる機能を付加するなどの工夫が必要と考える。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2016-04-01 - 2018-03-31

【配分額】26,390千円 (直接経費: 20,300千円、間接経費: 6,090千円)

【研究分野】生物物理・化学物理・ソフトマターの物理

【研究領域課題番号】16H04032 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

駆動現象 / 自己組織化 / 協同現象 / エマルション / 界面張力 / 界面活性剤 / ポリジメチルシロキサン / 履歴現象 / 自己駆動 / 集団現象 / 履歴 / 両親媒性分子 / 油滴 / マイクロ・ナノデバイス / 群れ

【研究成果の概要】

化学エネルギーを運動エネルギーに変換するアクティブマターの中でも，有機物で構成される有機アクティブマターの駆動現象，駆動と変形に関わる履歴現象，集団で運動するときの協同現象についてメカニズムを浮き彫りとすることを本研究目標とした。分子合成技術，成型技術，観測技術を駆使することで，有機アクティブマターの運動のドライビングフォースを明らかにするだけでなく，構成分子どうしの親和性や駆動における拘束条件が運動モードを多様化できることを新たに示した。また，造形後に紫外光照射で繰り返し流動化可能な新規ポリジメチルシロキサンを開発した。

【研究の社会的意義】

本研究成果は，界面活性剤水溶液で駆動する油滴のドライビングフォースを明確にするだけでなく，構成分子の親和性や環境による拘束条件に基づいて油滴が運動モードを多様化することを新たに見出したものである。比較的単純な分子構造の油や界面活性剤などを用いた本実験結果は，生命が誕生する以前の原始的な細胞のモデルでも単純な駆動機構をもちえたことを意味しており，従来の物理学や化学の枠を超えて意義深いものと言える。また，紫外光照射で繰り返し流動化できるポリジメチルシロキサンは，任意のタイミングとサイトで変形誘導が可能であり，造形材料や接着剤など新しい活用法へつながることから，産業的価値が高い点で社会的意義がある。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2016-04-01 - 2019-03-31

【配分額】18,330千円 (直接経費: 14,100千円、間接経費: 4,230千円)

【研究分野】ナノ材料工学

【研究領域課題番号】15K04620 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ナノ材料 / 自己組織化 / 結晶成長 / マイクロ・ナノデバイス / 脱濡れ / 微細加工

【研究成果の概要】

汎用性の高いスパッタ法により成膜した薄膜の脱濡れ（熱凝集）現象を用いて、特異な形状や良質な結晶構造を有する多種・多様な自己組織化機能性ナノ材料を作製した。我々は、機能層と基板との間に、シード層と呼ばれる薄膜層を導入することで自己組織化を促進させ、良質な薄膜構造を発生させる、低コストなボトムアップ型のナノ材料創製技術を開発した。本手法を用いて、我々はナノ材料の形や大きさに関してより緻密な制御を行うと供に、得られた知見から、本研究における脱濡れの詳細メカニズムを結晶成長学的見地から考察した。更に、ナノ材料の多層化や意図した構造制御によって、作製したナノ薄膜材料の機能性の向上を図った。

【研究の社会的意義】

本研究により、生産性やコスト面に優れた成膜法（スパッタ法）を用いて作製した薄膜を熱することで脱濡れ（熱凝集）を施し、自己組織化によって良質な機能性ナノ材料を、従来の手法と比較して、比較的容易に得ることが可能となった。本作製手法の開発により、自己組織化形成技術としてナノ材料作製における選択肢が増え、より多くの研究従事者に利用され、応用されることで、新素材や新たな高密度・高機能素子の開発に繋がるものと考えられる。本研究により得られたナノ材料は、化学的に合成されたナノ粒子や、従来の脱濡れ手法により作製されたナノ材料に比べ、結晶構造有しているため、今後のナノ科学の機構解明にも役立つものと考えられる。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2015-04-01 - 2019-03-31

【配分額】5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円)

【研究分野】電子デバイス・電子機器

【研究領域課題番号】15H06204 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

自己組織化単分子膜 / 二硫化モリブデン / 電界効果トランジスタ / 界面特性 / 自己組織化 / ナノデバイス / 2次元材料 / マイクロ・ナノデバイス / 先端機能デバイス / 電子デバイス・機器

【研究成果の概要】

自己組織化単分子膜(Self-Assembled Monolayer:SAM)をゲート絶縁膜に用いたゲート絶縁膜技術を確立し、新機能を有する電子デバイス開拓に向けた異種材料の界面設計に関する研究を行った。ゲート絶縁膜は酸素プラズマによって形成したアルミニウム酸化膜とホスホン酸SAMの2層構造からなる。極薄膜厚かつ高い絶縁性を有する自己組織化単分子膜をゲート絶縁膜に用いることで、2V駆動のMoS2 FETsの作製に成功した。またId-Vg特性にヒステリシスは認められず、サブスレッショルドスロープも69 mV/decであることから、良好な界面特性をMoS2/SAM構造によって実現した。

【研究種目】研究活動スタート支援

【研究期間】2015-08-28 - 2017-03-31

【配分額】2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)

【研究分野】知能機械学・機械システム

【研究領域課題番号】15H05513 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

自己折りたたみ / 刺激応答性ゲル / マイクロ流体デバイス / ハイドロゲル / マイクロファイバ / マイクロ・ナノデバイス / 機能性材料 / 自己組織化

【研究成果の概要】

本研究の目的は，外部刺激により変形可能な刺激応答性ハイドロゲルをマイクロファイバ状に成形し，マイクロファイバの自己折りたたみにより複雑な３次元構造を形成する技術を確立することである．マイクロ流体デバイスを利用し，一部分が膨潤・収縮する機能を持つ機能性マイクロファイバ形状を構築した．このマイクロファイバを温度およびpHで刺激することにより，伸縮をするスプリング型のソフトアクチュエータや送液可能なチューブ状マイクロポンプ，バンドル構造をもつ人工筋肉アクチュエータの構築に成功した．

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2015-04-01 - 2018-03-31

【配分額】24,180千円 (直接経費: 18,600千円、間接経費: 5,580千円)

【研究分野】マイクロ・ナノデバイス

【研究領域課題番号】24651159 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

自己組織化 / 自律システム / マイクロマシン / マイクロ流体 / 生物物理 / 分子ロボット / DNAコンピュータ / マイクロ・ナノデバイス

【研究成果の概要】

従来の自己組織化システムは，系の安定点に収束させることで，ある構造を構築する“self-assembly”を利用したものが一般的であったが，この場合，結晶などの均一な構造を作ることが限界であり，生命システムなどの複雑で自律的なシステムを構築することができなかった．本研究では，動的な自己組織化としての“self-organization”を目指して研究を行った．すなわち，非平衡環境下で，分子のスケールの反応から，マイクロ・ミリメートルスケールのシステムまで階層的に結びつく非常に複雑な動的な自己組織化現象を利用した，新しいシステム構築，新しいものづくりの方法を発展させることに貢献した．

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2012-04-01 - 2014-03-31

【配分額】4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)

【研究分野】材料加工・処理

【研究領域課題番号】24560874 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ナノ材料 / 自己組織化 / 微細加工 / 脱濡れ / 熱凝集 / 結晶成長 / マイクロ・ナノデバイス / ナノデバイス / 局在表面プラズモン共鳴

【研究成果の概要】

二層（シード層促進）凝集現象を用い、自己組織化金属ナノ構造薄膜をスパッタ法により作製した。基板とAuやAg層の間に薄い金属シード層（Ti、Fe等）を挿入することで、熱凝集が促進され、良質なナノ構造（ドットやロッド）が形成されることを実証した。二層凝集法を用いると、 (1)薄膜と基板との付着力向上、(2)凝集温度の減少、(3)エピタキシャル成長の促進、(4)基板対称性を反映したナノ構造の形成がなされる。凝集促進のメカニズムは、主に薄膜全体の表面エネルギーの最小化と二層化による熱応力の増加によるものと考えられる。二層凝集法で作製したAu、Agナノドットの光学特性についても調べた。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2012-04-01 - 2015-03-31

【配分額】5,330千円 (直接経費: 4,100千円、間接経費: 1,230千円)

【研究分野】生産工学・加工学

【研究領域課題番号】23360065 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

マイクロナノデバイス / 機械工作・生産工学 / 先端機能デバイス / ナノ材料 / 精密部品加工 / 自己組織化 / 光学特性 / マイクロ・ナノデバイス / 機械加工 / 超精密加工 / 光学機能 / マイクロアレイ / ナノインプリント / 薄膜モールド / ナノ・マイクロ加工 / ナノドット / 塑性加工 / ナノデバイス / 局在表面プラズモン共鳴 / インプリンティング / 薄膜

【研究成果の概要】

本研究は、数10nmレベルの金ナノドットアレイを製造するための低コストで効率的なプロセスを開発することを目的としている。本研究では以下の３つの成果を得た。本研究により、①超微細塑性加工法によるパターニングと焼鈍による自己組織化により直径10nmレベルの金ナノドットアレイを創出できることを示した。②パターニングにナノインプリント法を用いることにより効率的にナノドットアレイを作製できることを示した。③ナノドットアレイの光学的特性を評価し、工業的応用の可能性を示した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2011-04-01 - 2014-03-31

【配分額】19,240千円 (直接経費: 14,800千円、間接経費: 4,440千円)

【研究分野】生体生命情報学

【研究領域課題番号】19200023 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

DNAコンピュータ / マイクロ・ナノデバイス / 高精度セルフアセンブリ / 自己組織化

【研究成果の概要】

本研究においては,DNAタイルを用いた分子計算の高精度化に向けて,いくつかの側面から研究開発に取り組んだ.まず,DNAタイルのセルフアセンブリによる分子計算プロセスの詳細なシミュレーションモデルを開発し,実験結果を精度よく説明することに成功した.また,T-motifと呼ばれる丁字型のDNAナノ構造体用のモチーフが,基板上で平面拘束をうけながら品質の高い大規模平面に成長する現象を見出した.これをもとに基板上でのみ成長する新しいモチーフをいくつか設計し,同様の大規模成長が可能であることを実験により確認した.さらに2種のT-motifタイルによるアルゴリズミックセルフアセンブリを基盤上で行って周期構造体を作製し,タンパク質分子を高精度配列させることに成功した.分子計算のための人工核酸の開発にも取り組み,汎用性の高いクロスリンカーとしてカルバゾールヌクレオシド(C^<NVK>)を含む核酸の合成に成功し,各種の核酸構造物へ適用できることを見出した.作製時の環境制御技術として,マイクロ流体デバイス中に固定化したDNAを核として,段階的にセルフアセンブリを行う手法を開発し,蛍光測定によるDNA構造体のバルク評価を行った.

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2007 - 2009

【配分額】47,450千円 (直接経費: 36,500千円、間接経費: 10,950千円)

【研究分野】生産工学・加工学

【研究領域課題番号】19206016 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ナノメカニクス / 三次元ナノ構造 / ナノ振動子 / センシングデバイス / ナノ加工 / ナノ計測 / 機械振動共振特性 / 電子ビーム・イオンビーム加工 / マイクロ・ナノデバイス / ナノ加工・計測 / 機械共振特性 / 電子ビーム・イオンビーム / ナノ加工・ナノ計測 / ナノレゾネータ / センシング / 機械共振特性評価 / 自己組織化 / 微小共振器 / 機械特性評価 / 高Q値

【研究成果の概要】

21世紀の先端ハードウエア技術(先端ものつくり)の根幹を支えるナノテクノロジーは,ナノ構造が発現する新たな物性を利用して新しい"もの"を創造することが重要なポイントである.本研究では,ナノテク時代の機械工学「ナノメカニクス」を開拓することを目標に,三次元ナノメカニカル構造としてナノ振動子を取り上げ,振動子の設計法,三次元ナノ構造作製技術の開発,機械振動測定法の開発と共振特性の解明,およびそのセンシングデバイスへの応用などナノ振動子の創製とその機能化のための基盤技術の構築を進めた.

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2007 - 2010

【配分額】47,320千円 (直接経費: 36,400千円、間接経費: 10,920千円)