科学研究費 基盤研究(S)
このコーナーでは，平成29年度に採択された，科学研究費補助金 基盤研究(S) 課題名「革新的応力場制御による高秩序ナノ空間構造体の創製と展開」 について，その進捗状況ならびに実績報告を掲載しています。
課題名：革新的応力場制御による高秩序ナノ空間構造体の創製と展開
課題番号： 17H06146
研究期間： 平成29年4月～令和4年3月
研究組織： 代表者： 巨 陽 名古屋大学工学研究科 教授
分担者： 徳 悠葵 名古屋大学工学研究科 講師
分担者： 木村 康裕 名古屋大学工学研究科 助教
分担者： 細井 厚志 早稲田大学理工学術院 准教授
分担者： 森田 康之 熊本大学先端科学研究部(工) 教授
研究目的：
本研究は，革新的な応力集中および酸化プロセス制御手法を構築することにより，高密度単結晶金属ナノワイヤアレイおよび半導体構造体配列の創製を実現する．また，金属原子の拡散速度と表面酸化膜の生成速度の制御を実現し，高秩序・高品質・高密度なナノ空間構造体の作製手法を確立する．さらに，応力場における原子の拡散及び表面酸化現象を解明することにより，ナノ空間構造体の生成メカニズムを系統的に解明する．最終的に，高透過率かつ超高導電性を有するフレキシブル透明導電膜，および低コストかつ超高変換効率を有する太陽光水素製造デバイスの創製を実現する．５年継続により，(I)高秩序・高品質・高密度，金属・半導体ナノ空間構造体の創製，(II)応力場における原子の拡散及び表面酸化現象の解明，(III)金属ナノワイヤアレイを利用した透明導電膜の創製，(IV)半導体ナノフラワーを利用した太陽光水素製造デバイスの構築，なる４項目の研究を推進する．
【各年度の研究実績】
平成29年度 研究実績
平成30年度 研究実績
令和元年度 研究実績
令和2年度 研究実績
令和3年度 研究実績
平成29年度 研究実績
平成29年度は申請時に計画した研究を遂行し，以下の研究実績を得た。
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10～100 nmのAl薄膜を形成し，待機中で資料を200～400℃で2～4時間加熱し，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，加熱時間との関係を明らかにした上で，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300 μmのCu基板の表面上に，化学酸化法によりCuO/Cu2Oナノフラワーを創製した．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解析を行った．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．
学術雑誌論文（査読あり）
- Y. Xie, Y. Ju, Y. Toku, and Y. Morita, Synthesis of a single-crystal Fe2O3 nanowire array based on stress-induced atomic diffusion used for solar water splitting, Royal Society Open Science, Vol. 5 (2018) 172126 (10 pp.). https://doi.org/10.1098/rsos.172126 Open Access
- Z. Zhang, X. Li, Z. Huang, L. Zhang, J. Han, X. Zhou, D. Guo, and Y. Ju, Low-temperature synthesis of Bi4Ti3O12 nanocrystals by hydrothermal method, Journal of Materials Science: Materials in Electronics, Vol. 29 (2018) pp. 7453–7457. https://doi.org/10.1007/s10854-018-8736-6
国際会議発表
- Y. Ju, M. Kato, R. Nonomura, Y. Toku, and Y. Morita, Enhancement of adhesive strength of nanowire surface fastener used for room temperature bonding, 19th International Conference on Electronics Materials and Packaging, (2017). 基調講演
- Y. Ju, Quantitative evaluation of permittivity at the nanoscale based on the force-distance-curve measurement of microwave AFM, International Conference on Manipulation, Automation and Robotics at Small Scales, (2017). 招待講演
- Y. Morita, R. Sakurai, T. Wakimoto, B. Xu, Y. Toku, G. Song, Q. Luo, and Y. Ju, tLyP-1-conjugated Fe3O4@mSiO2 core-shell nanoparticles for tumor-targeted drug delivery, AEM2017, (2017).
- Y. Ju, M. Kato, R. Nonomura, Y. Toku, and Y. Morita, Establishment of theoretic model for force curve analysis with microwave of dielectric materials on microwave atomic force microscopy, 19th International Conference on Electronics Materials and Packaging, (2017).
国内学会発表
- 笠原龍太郎, 徳悠葵, 森田康之, 巨陽, Cu2O/Cuコアシェルナノワイヤアレイによる太陽光水分解光電極の作製, 日本機械学会M&M2017材料力学カンファレンス, (2017).
- 上田祐志, 徳悠葵, 森田康之, 巨陽, 自己変形発現により作製した金属被覆微小コイルの電磁気特性評価に関する研究, 日本機械学会M&M2017材料力学カンファレンス, (2017).
- 野々村陸, 徳悠葵, 森田康之, 巨陽, 機能性ナノワイヤ面ファスナーの接着強度および熱伝導特性の向上, 日本機械学会M&M2017材料力学カンファレンス, (2017).
- 脇本卓磨, 森田康之, 徳悠葵, 巨陽, 温度刺激に対する高分子の相転移特性を用いたナノ粒子の薬剤放出制御, 日本機械学会第30回バイオエンジニアリング講演会, (2017).
平成30年度 研究実績
平成30年度は申請時に計画した研究を遂行し，以下の研究実績を得た。
1. 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，昇温速度，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した．さらに，成長領域の金属薄膜厚さによるナノワイヤの直径および長さ，密度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寸法および密度の制御を実現した．
2. 半導体ナノフラワー配列の作製手法の確立
厚さ300 μmのCu基板を用いて化学酸化法によりCuナノフラワー/Cu(OH)2ナノワイヤを作製した．その後，加熱還元法によりCu2Oナノ構造体を作製した．化学酸化法において，反応時間を5分から120分まで変化させ，CuOナノフラワーの形状制御を実現した．また，Ar雰囲気中にて加熱温度を300℃から900℃まで変化させ，Cu2Oナノ構造体の品質制御を実現した．さらに，応力場の制御によりFe2O3ナノグラスの創製に成功し，高秩序，高品質，高密度の半導体ナノ空間構造体の作製手法を確立した．
3. 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
金属薄膜の原子配列の密度は応力および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，金属薄膜の表面酸化物における原子配列の密度も金属ナノワイヤと半導体ナノ空間構造体の成長に重要な役割を果たす．本研究では，根元から押し出すように成長する金属ナノワイヤの生成と，先端から伸びるように成長する半導体ナノ空間構造体の参加精製を決定するメカニズムを，原子配列の密度を動力学的に解析することにより明らかにした．そして，各温度状態における原子密度の変化を考慮に入れ，ナノワイヤおよびナノ空間構造体成長の最適条件を特定した．
学術雑誌論文（査読あり）
- Y. Toku, K. Uchida, Y. Morita, and Y. Ju, Nanowire surface fastener fabrication on flexible substrate, Nanotechnology, Vol. 29 (2018) 305702 (8 pp.). https://doi.org/10.1088/1361-6528/aac284
- K. Yan, Y. Toku, Y. Morita, and Y. Ju, Fabrication of multiwall carbon nanotube sheet based hydrogen sensor on a stacking multi-layer structure, Nanotechnology, Vol. 29 (2018) 375503 (12 pp.) https://doi.org/10.1088/1361-6528/aace96
- Y. Cui, Z. Chen, and Y. Ju, New mechanism of helical dislocation formation via the pinch-off process near a nano-inhomogeneity, Computational Materials Science, Vol. 155 (2018) pp. 400–409. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2018.08.063 Open Access
- Y. Toku, K. Ichioka, Y. Morita, and Y. Ju, A 64-pin nanowire surface fastener like a ball grid array applied for room-temperature electrical bonding, Scientific Reports, Vol. 9 (2019) 1095 (10 pp.). https://doi.org/10.1038/s41598-018-37693-2
- B. Tong, M. Zhao, Y. Toku, Y. Morita, and Y. Ju, Local permittivity measurement of dielectric materials based on the non-contact force curve of microwave atomic force microscopy, The Review of Scientific Instruments, Vol. 90 (2019) 033706 (5 pp.). https://doi.org/10.1063/1.5066599
- K. Yan, Y. Toku, and Y. Ju, Highly sensitive hydrogen sensor based on a new suspended structure of cross-stacked multiwall carbon nanotube sheet, International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 44 (2019) pp. 6344–6352. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.01.055
- Y. Morita, R. Sakurai, T. Wakimoto, K. Kobayashi, B. Xu, Y. Toku, G. Song, Q. Luo, and Y. Ju, tLyP-1-conjugated core-shell nanoparticles, Fe3O4NPs@mSiO2, for tumor-targeted drug delivery, Applied Surface Science, Vol. 474 (2019) pp. 17–24. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.09.205
- S. Li, X. Li, K. Zou, Z. Huang, L. Zhang, X. Zhou, D. Guo, and Y. Ju, Preparation of single-crystalline BaTi5O11 nanocrystals by hydrothermal method, Materials Letters, Vol. 245 (2019) pp. 215–217. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2019.02.122
国際会議発表
- Y. Izumi, Y. Toku, and Y. Ju, Development of Cu2O 3D nanostructure used for photo electrode of solar water splitting, The 5th Asian Symposium on Material and Processing 2018, (2018).
- Y. Togawa, Y. Toku, and Y. Ju, Control of shape and density of oxidized nanobelts, The 5th Asian Symposium on Material and Processing 2018, (2018).
- T. Taguchi, Y. Toku, and Y. Ju, Improving spinnability of carbon nanotube sheet by controlling the density and alignment of carbon nanotubes array, The 5th Asian Symposium on Material and Processing 2018, (2018).
- M. Zhao, B. Tong, Y. Toku, and Y. Ju, Evaluation of dielectricconstant of biomaterial based on the force-distancecurve measured by microwave atomic-force microscope, 29th 2018 International Symposium on Micro-Nano Mechatronics and Human Science, (2018).
- Y. Ju, M. Kato, and Y. Toku, Development of nanowire surface fastener used for room temperature bonding, The 5th International Conference on Nanomechanics and Nanocomposites, (2018). 招待講演
- Y. Ju, Enhancement of fatigue life and elongation of aluminum alloy by high-density pulsed electric-current, 6th International Conference on Integrity-Reliability-Failure, (2018). 基調講演
- Y. Toku, Y. Ueda, Y. Morita, and Y. Ju, Electromagnetic performance of spirally deformed coated nanowires, 6th International Conference on Integrity-Reliability-Failure, (2018).
- M. Kato, Y. Toku, Y. Morita, and Y. Ju, Improvement of adhesion strength of the copper nanowire surface fastener by investigating the diameter ratio of nanowires, 6th International Conference on Integrity-Reliability-Failure, (2018).
- Y. Ju, Conductivity measurement of metallic nanowires by microwave atomic force microscopy, International Conference on Manipulation, Automation and Robotics at Small Scales 2018, (2018). 招待講演
- Y. Ju, M. Kato, and Y. Toku, Enhancement of adhesive strength of nanowire surface fastener used for room temperature bonding, The 14th International Conference on Nanostructured Materials, (2018). 招待講演
- Y. Cui, and Y. Ju, Mechanical bonding between metallic nanowires and films: an atomic simulation, The 5th International Conference on Nanomechanics and Nanocomposites, (2018).
- Y. Toku, K. Kizawa, K. Sugiura, Y. Morita, and Y. Ju, Improvement of thin film adhesion strength via current application, Asia-Pacific Conference on Fracture and Strength 2018, (2018).
国内学会発表
- 泉友里, 徳悠葵, 森田康之, 巨陽, Cu2O三次元ナノ構造体の創製と水分解光電極への応用, 日本機械学会2018年度年次大会, (2018).
- 小林耕大, 森田康之, 徳悠葵, 巨陽, 放出制御型DDSを目指したコアシェル型ナノ粒子への温度応答性高分子の利用, 日本機械学会2018年次大会, (2018).
- Zhang Yiqi, 徳悠葵, 森田康之, 巨陽, 熱酸化および還元プロセスによるCu2Oナノワイヤアレイの創製と水分解への応用, 日本機械学会M&M2018材料力学カンファレンス, (2018).
- 田中悠貴, 徳悠葵, 森田康之, 巨陽, 透明導電膜作製に向けた応力原子拡散単結晶Alナノワイヤアレイの創製, 日本機械学会M&M2018材料力学カンファレンス, (2018).
- 戸川陽介, 徳悠葵, 森田康之, 巨陽, SnO2ナノベルトの形状・密度制御に関する研究, 日本機械学会M&M2018材料力学カンファレンス, (2018).
- 田口託土, 徳悠葵, 森田康之, 巨陽, カーボンナノチューブアレイの密度および配向性制御によるカーボンナノチューブシート紡績性の向上, 日本機械学会M&M2018材料力学カンファレンス, (2018).
- 加藤大博, 徳悠葵, 森田康之, 巨陽, 銅ナノワイヤ面ファスナーの接着強度向上に向けた影響因子の最適化, 日本機械学会M&M2018材料力学カンファレンス, (2018).
- 河合航大, 徳悠葵, 森田康之, 巨陽, 酸化亜鉛薄膜を利用した多点型微小圧力検出センサの開発, 日本機械学会M&M2018材料力学カンファレンス, (2018).
- 木村文哉, 細井厚志, 川田宏之, 巨陽, 応力誘導法によるアルミニウムナノワイヤの創製及びその性状評価, 日本機械学会関東学生会第58回学生員卒業研究発表講演会, (2019).
特許
- 徳悠葵, 巨陽, 杉浦弘太郎, 金属膜の製造方法, 特開 2019-196509, 国内, (2019)
令和元年度 研究実績
令和元年度は申請時に計画した研究を遂行し，以下の研究実績を得た。
1. 半導体ナノ構造体の生成機構の解明
比較的低い加熱温度で形成した厚い表面酸化膜の下に蓄積された大きな駆動応力により，大量の金属原子が一気に酸化膜ウィークポイントからほうしゅつされること，そして形成されたナノ構造体表面における酸化物の原子配列密度が低いことから，内部の金属原子が表面に拡散されることが金属酸化物ナノ構造体の生成・形状に影響する要因であることを分子動力学シミュレーションにより明らかにした．また，ナノ構造体の高密度成長の発生機構は，金属薄膜の表面において引張応力が働いていることによって，原子の低密度化により金属原子の拡散が促進され，遷移できる原子の個数が多いことを突き止めた．
2. フレキシブル透明導電膜の作製
フレキシブル基板上に粘着性薄膜をコーティングし，Al/Si基板上に作製した高密度単結晶Alナノワイヤアレイをフレキシブル基板上に転写し，保護薄膜を蒸着することにより，高強度，高導電性のフレキシブル透明導電膜を実現した．
3. フレキシブル透明導電膜の最適化
ナノワイヤの直径，長さ，密度が透明導電膜の強度，導電性，透光性におよぼす影響を実験的に明らかにした．さらに，ナノワイヤの直径，長さ，密度を最適化したナノワイヤアレイにより，電気抵抗率：396Ω/sq，光透過率：87.0%の金属ナノワイヤフレキシブル透明導電膜の創製を実現した．
学術雑誌論文（査読あり）
- S. Arumugam, Y. Toku, and Y. Ju, Fabrication of γ-Fe2O3 nanowires from abundant and low-cost Fe plate for highly effective electrocatalytic water splitting, Scientific Reports, Vol. 10 (2020) 5407(11pp.).https://doi.org/10.1038/s41598-020-62259-6
- Y. Kimura and Y. Ju, Residual stress effect governing electromigration-based free-standing metallic micro/nanowire growth behavior, Applied Physics Letters, Vol. 116 (2020) 024102(5pp.).https://doi.org/10.1063/1.5131710
- Y. Cui, Y. Ju, and S. A. Meguid, Atomistic treatment of periodic gold nanowire array nanofasteners under shear loading, Nanotechnology, Vol. 31 (2019) 105704(11pp.).https://doi.org/10.1088/1361-6528/ab5a0a
- K. Zou, L. Liu, X. Li, S. Li, Z. Huang, L. Zhang, D. Guo, and Y. Ju, Effect of NaOH concentration on formation of Ba4Ti13O30 and BaTi5O11 nanocrystals prepared by hydrothermal method, Materials Letters, Vol. 255 (2019) 126584(4pp.).https://doi.org/10.1016/j.matlet.2019.126584
- A.R. Alian, Y. Ju and S.A. Meguid, Comprehensive atomistic modeling of copper nanowires-based surface connectors, Materials and Design, 175 (2019), 107812-1-12. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2019.107812
- X. Li, Q. Ma, Z. Huang, L. Zhang, D. Guo and Y. Ju, Poly (vinyl pyrrolidone)-assisted hydrothermal synthesis of Pb(Zr0.52Ti0.48)O3 nanocrystals
Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 30 (2019), 17164-17169. https://doi.org/10.1007/s10854-019-02063-9
国際会議発表
- K. Kobayashi, Y. Morita, Y. Toku, and Y. Ju, Development of controllable release DDS based on temperature-responsive-polymer capped magnetic mesoporous silica, Euro Cancer Research Conference, (2019).
- R. Iwase, Y. Toku, and Y. Ju, Mechanical properties of nanowire surface fastener, 8th International Conference Mechanics and Materials in Design (M2D) 2019, (2019). 招待講演
- S. Yoon, R. Iwase, S. Gu, Y. Toku, and Y. Ju, Influence of high-density electric current on quasistatic crack growth of SUS316, 8th International Conference Mechanics and Materials in Design (M2D) 2019, (2019).
- Y. Ju, R. Iwase, Y. Kimura, and Y. Toku, Effect of high-density pulsed electric-current on the mechanical properties of titanium alloy The 10th IFAMST & The 1st Materials Conference in Greater Bay Area, (2019).
- Y. Cui, Z. Chen, and Y. Ju, Dislocation-induced mass transfer mechanism in nanostructured metallic materials, The 10th IFAMST & The 1st Materials Conference in Greater Bay Area, (2019).
- Y. Ju, High efficiency solar water splitting based on morphology optimization of Cu2O nanostructures,ANEM2019 Advanced Nano and Energy Materials, (2019).
- Y. Toku and Y. Ju, Adhesion properties of nanowire surface fastener, The 30th 2019 International SYmposium on Micro-NanoMechatronics and Human Science, (2019). 招待講演
- R. Iwase, J. Jung, Y. Tang, T. Kishi, A. Hosoi, and Y. Ju, Damage recovery and property enhancement of metallic materials based on high-density pulsed electric-current, The 10th IFAMST & The 1st Materials Conference in Greater Bay Area, (2019). 招待講演
- P. Pei, Y. Xie, Y. Toku, and Y. Ju, Enhancement of the performance of solar water splitting based on high-density single-crystal Fe2O3 nanowire-array fabricated by stress-induced atomic-diffusion method, Advances in Functional Materials Conference 2019, (2019). 招待講演
国内学会発表
- 柳澤一星, 松永光広, 土肥優希, 木村文哉, 細井厚志, 巨陽, 川田宏之, 熱酸化法により生成したSi基板上のCuOナノワイヤの成長及び界面剥離メカニズム, 日本機械学会第27回機械材料・材料加工技術講演会, (2019).
- 木村康裕, 巨陽, 高密度電子流による原子集積を利用した金属マイクロ・ナノワイヤの成長挙動解明, 日本機械学会材料力学部門M&M若手シンポジウム2019, (2019).
- 徳悠葵, 巨陽, フレキシブルナノワイヤ面ファスナーの開発, 日本機械学会材料力学部門M&M若手シンポジウム2019, (2019).
- 伊藤篤志, 巨陽, 徳悠葵, マイクロ波を用いたステンレス合金の非接触ひずみ計測, 日本機械学会2019年度年次大会, (2019).
- 岩瀬累, 木村康裕, 徳悠葵, 巨陽, 高密度パルス電流を利用したチタン合金の機械的特性の向上, 日本機械学会M&M2019材料力学カンファレンス, (2019).
- 泉友里, 木村康裕, 徳悠葵, 巨陽, Cu2Oナノ構造体の形状最適化および表面修飾による太陽光水分解変換効率の向上, 日本機械学会M&M2019材料力学カンファレンス, (2019).
- 木澤蔵馬, 木村康裕, 徳悠葵, 巨陽, 高周波高密度電流を利用したAu薄膜の密着強度の向上, 日本機械学会M&M2019材料力学カンファレンス, (2019).
- 小林耕大, 森田康之, 脇本卓摩, 木村康裕, 徳悠葵, 巨陽, 温度応答性高分子を利用した放出制御型DDSキャリアの開発, 日本機械学会M&M2019材料力学カンファレンス, (2019).
- 田口託土, 木村康裕, 徳悠葵, 巨陽, カーボンナノチューブシートを用いたフレキシブル透明導電膜の開発, 日本機械学会M&M2019材料力学カンファレンス, (2019).
- 小林耕大, 森田康之, 木村康裕, 徳悠葵, 巨陽, 温度応答性高分子を応用した機能性DDSの開発, 日本機械学会第32回バイオエンジニアリング講演会, (2019).
- 松永光広, 土肥優希, 柳澤一星, 木村文哉, 細井厚志, 巨陽, 川田宏之, 熱酸化法によるCuOナノワイヤ生成及びスーパーキャパシタ電極性能に及ぼす生成条件の影響, 日本機械学会関東支部第26期総会・講演会(M&P2019), (2020).
特許
- 細井厚志, 川田宏之, 柳澤一星, 松永光広, 土肥優希, 巨陽, 酸化銅ナノワイヤおよびその製造方法, 特願 2020-43036, 国内, (2020)