ナノ領域の自己組織化技術
−電子・光デバイスへの応用−

　ナノテクノロジーにおける自己組織化プロセスは、無機物、有機物、金属、半導体などの各種原子・分子による新しい構造を創製し、革新的機能を生み出すことが可能であり、従来技術とは本質的な違いがあります。
　本調査レポートでは、このような特徴を有するナノ領域における自己組織化技術に関し、その基礎から、量子ドットのような0次元構造制御、また自己組織膜の2次元構造制御、さらに3次元のデンドリマーやナノ空間制御などに関する探索研究から応用技術に至る最新技術の動向について以下の点に重点を置きまとめました。


○ 量子ドットの形成とその応用分野であるレーザ、単一電子素子、記録媒体、 コンピュータ等の技術について詳述！
○ 有機系2次元ナノ構造体としてLB膜、自己組織化単分子膜(SAM)をとりあげ、基礎技術の紹介および電子・光デバイス、ナノデバイス、記録媒体、ナノインプリントへの応用技術について詳述！
○ デンドリマーの展開及びこれらの超分子構造によって生まれるナノ空間の特異な特性を利用した新たな応用例を紹介！
○ 国内公開特許(期間：1998.01〜2004.09)から代表的な技術約220件を要約し、分野毎に分類・整理！
 
ボトムアップ型ナノ構造の設計・制御技術から電子、光デバイスへの応用に至る最新の技術動向を知る上で欠かせない1冊です。

　　　　□体裁　A4版　324頁
　　　　□税込価格　71,400円　(本体68,000円、消費税3,400円)
　　　　□送料　弊社負担
　　　　□発行　2005.4

章 目 次

I.基礎編　
　第1章　ナノテクノロジーの背景と意義　
　第2章　ナノテクノロジーのインパクト及び将来市場　
　第3章　ナノ領域での特異な物理現象　
　第4章　ナノ構造の観察・測定技術の進展　
　第5章　ナノ領域の制御技術の概要　

II.自己組織化技術によるボトムアップ型ナノ構造形成と新機能の創製　
　第1章　自己組織化技術　
　第2章　自己組織化プロセスによるナノ領域の制御技術　
　第3章　金属・半導体分野における自己組織化の展開　
　第4章　有機系2次元ナノ構造のボトムアップ型ナノテクノロジー
　第5章　自己組織化による超分子とナノ空間の創製と応用　

III.資料編　
　1.ナノテクノロジーの産業に及ぼすインパクト　
　2.ナノテクノロジーに関するわが国の施策　
　3.ナノテクノロジー研究開発に関する各国の取り組み　
　
1
3
11
21
31


44
54
57
130
277


307
312
317

詳　細　目　次


I. 基礎編		 頁

第1章　ナノテクノロジーの背景と意義		 1

第2章　ナノテクノロジーのインパクト及び将来市場		 3
2.1　概要 3
2.2　ナノマテリアル関連技術の応用 7
2.3　ボトムアップ型ナノテクノロジーの潜在市場 8
　2.3.1　バイオ医療分野 9
　2.3.2　エレクトロニクス分野 9
　2.3.3　エネルギー・環境分野 9
　2.3.4　メカトロニクス分野 10
引用文献 10

第3章　ナノ領域での特異な物理現象		 11
3.1　ナノ領域における特性 11
　3.1.1　表面効果 12
　3.1.2　化学結合効果 12
　3.1.3　体積効果 12
　3.1.4　量子効果 13
　3.1.5　量子サイズ効果 13
3.2　ナノ領域における電気的特性 16
　3.2.1　ナノサイズでは電気的中性 16
　3.2.2　強誘電作用 16
3.3　ナノ領域に於ける磁気的作用 17
3.4　超伝導特性 18
　3.4.1　電気抵抗ゼロ 19
　3.4.2　マイスナー効果 19
　3.4.3　ジョセフソン効果 19
3.5　ナノ領域の現象と応用 20
引用文献 20

第4章　ナノ構造の観察・測定技術の進展		 21
4.1　走査型プローブ顕微鏡の種類と特徴 22
4.2　SPM測定装置の構成 23
4.3　走査型トンネル顕微鏡とナノ構造制御 24
4.4　非接触原子間力顕微鏡 25
4.5　非接触原子間力顕微鏡による原子操作 28
引用文献 30

第5章　ナノ領域の制御技術の概要		 31
　5.1　ナノ領域の物質と構造制御技術の研究手法 31
　5.1.1　トップダウン型ナノテクノロジーの進展 31
　5.1.2　ボトムアップ型ナノテクノロジーの特徴と可能性 32
　5.2　トップダウン型ナノテクノロジーとボトムアップ型ナノテクノロジーの融合 38
　5.3　ボトムアップ型ナノマテリアルの種類 39
　5.4　ナノマテリアル関連特許出願件数 40
　5.5　ボトムアップ型ナノテクノロジーの実現に向けた技術要素 41
引用文献 43

II. 自己組織化技術によるボトムアップ型ナノ構造形成と新機能の創製		  

第1章　自己組織化技術		 44
1.1　自己組織化プロセスとは 44
1.2　自己組織化の概念及び定義 46
1.3　自己組織化は何故起こるか 49
　　(1)外部から閉じた平衡系 49
　　　A.相互作用しない理想の系 49
　　　B.構成する要素が相互作用する系 50
　　(2)開放系、非平衡系 51
引用文献 53

第2章　自己組織化プロセスによるナノ領域の制御技術		 54
2.1　自己組織化によるナノ構造制御技術の特徴 54
　2.1.1　内発的トリガーによる自己組織化 55
　2.1.2　外誘的トリガーによる自己組織化 55
引用文献 56

第3章　金属・半導体分野における自己組織化の展開		 57
3.1　金属・半導体の0次元ナノ構造体(量子ドット)の創製技術 57
　3.1.1　固体表面エネルギーをトリガーとする自己組織化結晶成長 57
　3.1.2　結晶成長モードと自己組織化 58
　3.1.3　半導体の格子不整合系での自己組織化 59
　　(1)SK成長による量子ドット形成過程 60
　3.1.4　半導体の格子整合系での自己組織化 61
　　(1)異種原子の添加による量子ドットの形成 61
　　(2)酸化Si表面での量子ドットの形成 62
3.2　量子ドットの位置制御 62
　3.2.1　基板上に自然発生的に規則性を持つ表面構造を利用する方法 62
　　(1)不整転移を利用する方法 62
　　(2)ステップ段差を利用する方法 63
　3.2.2　パターン化された表面での選択成長法 64
　3.2.3　不活性化した表面での終端単原子の除去と化学反応・選択吸着を利用する方法 66
3.3　量子ドットのレーザへの応用 67
　3.3.1　量子ドットレーザの原理 68
　3.3.2　半導体レーザのしきい値電流 69
　3.3.3　量子ドットによる半導体レーザの変調特性、スペクトル純度の向上 70
　3.3.4　量子ドットレーザの構造 70
　3.3.5　量子ドットレーザの利点と利用方法 71
　3.3.6　各材料の面発光レーザと光デバイス 72
　3.3.7　量子ドットレーザの課題 73
　3.3.8　量子ドットレーザの新しい展開 74
3.4　量子ドットの半導体素子、単一電子デバイスへの応用 75
　3.4.1　単一電子とは、単一電子素子で要求される構造 75
　3.4.2　単一電子素子の作製法 76
3.5　量子ドットのフォトニクス情報通信技術への応用 79
　3.5.1　従来通信技術の課題 81
　　(1)光増幅器の課題 81
　　(2)波長変換素子の課題 81
　　(3)光再生中継器の課題 81
　3.5.2　量子ドット光増幅器の特徴と性能 81
　3.5.3　通常通信帯(1.5μm)での量子ドット光増幅器の開発 84
　3.5.4　量子ドット及び近接場光による光集積回路 85
　3.5.5　量子ドットの光スイッチへの応用 87
　3.5.6　ナノプラズモン導波路の開発 88
　3.5.7　近接場光を用いたナノ光加工法 89
　3.5.8　企業及び研究機関の取り組み 91
　　(1)通信波長帯での単一光子発生デバイス 東京大学、富士通 91
3.6　量子ドットの記録媒体(メモリ)への応用 93
　3.6.1　スピン量子ドット創製に関する研究 93
　　(1)グラニュラー薄膜での単一電子トンネル効果 94
　　(2) 自己組織化プロセスによる磁性量子ドット 94
3.7　量子ドットの量子コンピュータへの応用 95
　3.7.1　量子コンピュータとは 95
　3.7.2　量子コンピュータの原理 96
　3.7.3　量子コンピュータで提案されている量子ビット 97
　3.7.4　量子コンピュータの回路 99
　3.7.5　量子コンピュータの開発とデモンストレーション 100
　3.7.6　企業及び研究機関の取り組み 102
　　(1)固体電子素子による量子コンピュータ用回路の開発科学技術振興機構、日本電気 102
　　(2)量子コンピュータ用量子ドットの配列制御技術　富士通研究所、筑波大学 102
3.8　量子ドット関連国内特許 104
　3.8.1　量子ドットの形成技術 104
　　(1)格子定数不整合系における歪みエネルギーの利用 105
　　(2)格子定数整合系における結晶形成に関する技術 109
　　　A.異種の原子・分子による表面状態を変化させる技術 109
　　　B.ステップ/テラスのある結晶面の表面エネルギーの違いを利用する方法 110
　　(3)その他の量子ドット形成法 111
　　(4)量子ドットのサイズ均一化及び高密度化に関する技術 111
　　(5)量子ドットの位置制御及びパターン形成技術 112
　3.8.2　量子ドットのレーザへの応用 114
　3.8.3　自己組織化を利用した単一電子素子、半導体素子、電子素子技術 118
　3.8.4　量子ドットの光デバイス(光学素子、材料、装置)への応用 122
　3.8.5　量子ドットの記録媒体への応用 125
　3.8.6　量子ドットのコンピュータへの応用 127
引用文献 128

第4章　有機系2次元ナノ構造のボトムアップ型ナノテクノロジー		 130
4.1　有機系2次元ナノ構造体の自己組織化による制御技術 130
4.2　自己組織化膜(SAM)法とラングミュア・ブロジェット法(LB法)の特徴 130
4.3　ラングミュア・ブロジェット(LB)膜の展開 131
　4.3.1　LB膜の作製原理 132
　4.3.2　有機系LB膜のエレクトロニクスデバイスへの応用 134
　　(1)有機系LB膜の金属的導電特性 135
　　(2)π共役系高分子LB膜の有機半導体への応用 135
　　(3)高分子導電性ナノシートLB膜の有機半導体への応用 136
　　(4)電荷移動錯体LB膜を用いた超薄膜トランジスタへの応用 137
　　(5)有機層と無機層交互積層したLB膜法の超格子構造の形成 138
　　(6)電導性高分子LB膜の有機ELへの応用 142
　　(7)超電導性へのLB膜の応用 142
　4.3.3　LB膜のフォトニクスデバイスへの応用 142
　　(1)LB膜の光−電子変換素子への応用 142
　　　A.光励起電子移動可能な固体膜或いは固体LB膜 142
　　　B.レドックス電位勾配を有するLB膜の光電変換素子への応用 143
　　　C.高分子LB膜の表面プラズモン励起型光電変換素子への応用 145
　　(2)二次元シ−トLB膜によるフォトニクス結晶の形成 146
　　(3)LB膜における光反応の応用 147
　　　A.光異性化LB膜 147
　　　B.LB膜による光誘起J会合体形成 149
　　　C.高分子LB膜のセンサへの展開 152
4.4　有機分野に於ける自己組織化技術の応用と展開 153
　4.4.1　自己組織化膜技術の形成と機能性発現のメカニズム 154
　　(1)金−硫黄結合による自己組織化膜の特徴 154
　　(2)自己組織化膜の形成法と機能発現の設計 156
　　(3)有機分子の固液界面での自己組織化の要因とメカニズム 156
　　　A.基板からのエピタキシャルな相互作用が強い吸着系のメカニズム 157
　　　B.基板からの相互作用が比較的弱い吸着系のメカニズム 157
　　(4)気相及び固相における自己組織化膜形成のメカニズム 160
　　　A.アルカンチオール系SAMのアルキル基による形態変化 161
　　　B.アルキル基の異なるアルカンチオレートの自己組織化膜の形態 163
　　　　イ.メタンチオレート自己組織化膜 163
　　　　ロ.ヘキサンチオレート自己組織化膜 163
　4.4.2　自己組織化膜(単分子膜)の構造解析 164
　　(1)金−チオール自己組織化膜の構造解析 164
　　(2)銅表面の自己組織化膜の構造解析 166
　　(3)有機シランによる自己組織化単分子膜の形成原理 166
4.5　自己組織化膜を用いた新規ナノ構造体の創製 168
　4.5.1　電位制御による有機ナノチューブの形成 168
　4.5.2　自己組織化膜を鋳型にしたナノホール構造の形成 169
　4.5.3　吸着自己組織化による二次元ネットワークの形成 171
　4.5.4　液晶の配向制御技術 171
　4.5.5　共結晶構造の創製 173
　4.5.6　官能基導入による機能性の付与技術 173
4.6　自己組織化膜の電子デバイスへの応用 174
　4.6.1　自己組織化膜を応用した電子的機能表面の構築 174
　　(1)金−イオウ結合による電気的機能表面の構築 174
　　　A.自己組織化膜への電気化学活性の付与 174
　　　B.自己組織化膜によるSHG活性の発現 174
　　　C.自己組織化膜による電子移動メディエータとしての機能発現 175
　　　D.イオン・分子認識機能の付与 175
　　　E.異種分子の自己組織化膜による分子配列 177
　　　F.自己組織化膜の多様な機能性の付与 177
　　(2)シリコン基板表面の機能性付与 178
　　　A.シリコン基板上の機能性分子の配列 178
　　　B.シリコン基板上における機能団の固定 178
　4.6.2　自己組織化膜の分子エレクトロニクスへ分野への応用 179
　　(1)分子ナノワイヤの設計と開発状況 180
　　(2)分子ワイヤの合成 183
　　　A.オリゴチオフェン系 184
　　　B.ポルフィリン系 185
　　　C.テトラチアフルバレン(TTF)系 186
　　　D.オリゴチオフェン/フラーレン2成分系 187
　　　E.芳香族π共役配位子の自己組織化膜を応用した分子ナノワイヤー 189
　　　　イ.金基板上におけるπラジカル配位子の自己組織化膜形成 189
　　　　ロ.金ナノ粒子のネットワーク化 190
4.7　自己組織化膜の光デバイスへの応用 193
　4.7.1　自己組織化膜による光活性ポルフィリン分子の配列と光学特性 194
　4.7.2　ポルフィリン環を導入したアルカンチオレート自己組織化膜 195
　4.7.3　ブチルフェニル基を導入したポルフィリン誘導体の自己組織化膜 197
　4.7.4　ブチルフェニル基とシアノベンゼン基を導入したポルフィリン誘導体 197
　4.7.5　ポルフィリン・フラーレン系光エネルギーおよび電気エネルギー変換素子 198
　4.7.6　人工光合成および太陽電池材料への応用 200
4.8　自己組織化膜の超高密度記録媒体への応用 201
　4.8.1　超高容量磁気記録媒体におけるパターンドメディア 206
　4.8.2　パターンドメディアの原理と特徴 206
　4.8.3　パターンドメディアによる大容量記録の技術的課題 208
　4.8.4　パターンドメディアの作製技術 209
　4.8.5　パターンドメディアの特性 213
　4.8.6　反転磁場と双方向安定性の検証 214
　4.8.7　記録媒体のドット形成とピッチ極小化の微細加工技術 215
　4.8.8　ブロックコポリマーの自己組織化によるナノ構造形成 216
　4.8.9　ブロックコポリマーの分子設計 217
　4.8.10　ブロックコポリマーのミクロ相分離構造を利用したナノホールの形成 219
　4.8.11　パターンドメディア用の高アスペクト比ドットの作製法 219
　4.8.12　パターンドメディアの作製プロセス 222
　4.8.13　高密度磁気記録媒体の開発の現状 224
　4.8.14　プローブストレージ方式による超高密度記録 225
　4.8.15　各種記録材料による多様な記録媒体の展開 226
　4.8.16　企業及び研究機関の取り組み 227
　　(1)テラビット級メモリ素子「Millipede」の開発　IBM 227
　　(2)強誘電体結晶による超高密度記録　東北大学、パイオニア 229
4.9　自己組織化を利用したナノインプリント技術 230
　4.9.1　マイクロメーター領域におけるプリント技術 231
　　(1)マイクロライティング法 231
　　(2)マイクロマシニング法 232
　　(3)線源を利用したパターン化自己組織化膜の形成 232
　4.9.2　マイクロメーターからナノ領域のプリント技術 232
　　(1)マイクロコンタクトプリント技術 232
　　(2)マイクロコンタクトプリンティングによる自己組織化膜のパターン形成 232
　　(3)マイクロプリンティングの応用 238
　4.9.3　ナノインプリント技術 239
　　(1)インプリント法の特徴 239
　　(2)インプリント法のプリント技術 240
　　(3)パターン解像度とモールドの作成 240
　4.9.4　ナノインプリント技術の展開 241
　　(1)微細、複雑パターンの形成技術 241
　　(2)大面積基板への一括形成技術 242
　　(3)高アスペクト比構造の形成技術 243
　　(4)3次元多層構造の作成 244
　　(5)UVナノインプリント技術 246
　4.9.5　ディップペン方式のナノプリント技術 247
　　(1)ディップペン方式の特徴 247
　　(2)ディップペン方式の応用 249
　　　A.固体表面ナノ構造用エッチングマスクとしての応用 249
　　　B.導電性ナノ構造の形成 249
　　　C.DNPによるテンプレート配列 249
　　　D.無機構造体のナノファブリケーション 250
4.10　自己組織化膜関連国内特許 252
　4.10.1　LB膜技術 252
　4.10.2　硫黄含有化学物質による自己組織化膜 254
　　(1)膜形成および特性評価 254
　4.10.3　非硫黄含有化合物における自己組織化膜 255
　　(1)膜の形成および特性評価 255
　　(2)種々の応用事例 256
　4.10.4　新規ナノ化合物関連技術 259
　4.10.5　自己組織化膜の機能別電子デバイスへの応用 260
　　(1)硫黄含有化合物による応用 260
　　(2)非硫黄含有化合物による応用 261
　4.10.6　自己組織化膜の機能別光デバイスへの応用 263
　　(1)光電変換系自己組織化膜 263
　　(2)光半導体素子自己組織化膜 263
　4.10.7自己組織化膜の化合物別光デバイスへの応用 264
　　(1)硫黄含有化合物による応用 264
　　(2)非硫黄含化合物による応用 265
　4.10.8自己組織化膜の記録媒体への応用 267
　4.10.9自己組織化膜のパターン形成技術 269
引用文献 272

第5章　自己組織化による超分子とナノ空間の創製と応用		 277
5.1　超分子と自己組織化 277
5.2　デンドリマーの構造とナノ空間 278
　5.2.1　デンドリマー構造の特徴 278
　5.2.2　デンドリマー構造と自己組織化体の空間形態 280
　5.2.3　デンドリマー内部構造の特異性 281
　5.2.4　デンドリマー内包イオンの内包−放出の制御 283
5.3　デンドリマーの光・電気活性機能 284
　5.3.1　デンドリマーの光・電気活性機能付与の基本原理 284
　5.3.2　デンドリマーの光捕集機能とナノ空間 287
　　(1)モノデンドロンの光捕集 287
　　(2)ポリベンジルエーテルデンドロンとランタノイド錯体による光捕集 287
　　(3)デンドリマー型Ru錯体による光捕集 288
　　(4)ポリベンジルエーテルデンドリマーポルフィリンによる光捕集 290
　　(5)デンドリマー亜鉛ポルフィリンの光捕集 290
　5.3.3　デンドリマーによる光異性化と光応答性 291
　5.3.4　デンドリマーの光誘起電子移動機能 292
5.4　デンドリマーとフラーレンの複合体の機能と応用 293
　5.4.1　フラロデンドリマーの構造の特徴 294
　5.4.2　フラーレンとデンドリマーの機能の相乗効果 294
　5.4.3　デンドリマーによるフラーレンの劇的な溶解性向上 295
　5.4.4　デンドリマーによるフラーレンへの水溶性付与 296
5.5　自己組織化によるデンドリマー型液晶性分子 296
5.6　自己組織化による金属錯体によるナノ空間の創生と応用 298
　5.6.1　金属錯体高分子で形成されるナノ空間の特異性 299
　5.6.2　金属錯体の自己組織化によるナノ空間制御と新機能 302
　　(1)金属錯体の自己組織化ナノ空間の構築 302
　　(2)金属錯体ナノ空間の反応場 304
　　　A.Diels-Alder反応 304
　　　B.同一分子間［2＋2］光環化反応 304
　　　C.異種分子間［2＋2］光環化反応 305
　　　D.アルコキシシランの縮合反応 305
　　　E.Wacker型酸化反応 305
引用文献 306

III. 資料編		 307
1.ナノテクノロジーの産業に及ぼすインパクト 307
1.1　ユビキタスネットワーク社会の構築に関する産業 307
　1.1.1　情報通信ネットワークデバイス産業と開発すべき技術 307
　1.1.2　情報保存(ストレージ)産業と開発すべき課題 307
　1.1.3　光デバイス・システム産業と開発すべき課題 307
　1.1.4　次世代半導体産業 308
1.2　健康・高度医療社会に関連する産業 308
　1.2.1　診断・検査システム産業 308
　1.2.2　ナノ医療産業 308
1.3　地球環境に優しい社会に関連する産業 308
　1.3.1　電池産業 309
　1.3.2　ナノ触媒産業 309
　1.3.3　材料産業 309
1.4　ナノテクノロジーが創る広範囲に産業全般を支える産業 310
　1.4.1　ナノ計測産業 310
　1.4.2　ナノカーボン産業 310
　1.4.3　マイクロシステム・ナノシステム産業 310

2.ナノテクノロジーに関するわが国の施策		 312
2.1　ナノテクノロジー分野別動向 313
　2.1.1　ナノテクノロジー材料分野 313
　2.1.2　情報通信分野 314
　2.1.3　環境分野 315
　2.1.4　ライフサイエンス分野 316

3.ナノテクノロジー研究開発に関する各国の取り組み		 317
3.1　米国における取り組み 317
3.2　各国の施策の推移と技術開発競争力の比較 321
3.3　各国ナノマテリアル関連論文の発表動向と技術開発力 322
引用文献 324
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