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頁 |
1章 金属ナノ構造体の機能と応用 |
1 |
|
|
| 1.1 ナノ材料・構造体と機能 |
1 |
| 1.1.1 ナノスケール材料と構造制御 |
1 |
| (1) ナノスケール材料 |
1 |
| (2) ナノ材料の構造制御と機能 |
1 |
| (3) ナノ加工技術 |
2 |
| A. トップダウン |
3 |
| B. ソフトリソグラフィー |
3 |
| C. 自己組織化 |
4 |
| 1.1.2 金属ナノ材料・構造体 |
4 |
| (1) 金属ナノ粒子 |
4 |
| (2) 金属ナノワイヤ |
7 |
| (3) 金属ナノ薄膜 |
7 |
| 1.2 金属ナノ構造体を用いた新しいナノデバイス |
8 |
| 1.2.1 次世代光技術プラズモニクス |
9 |
| 1.2.2 次世代HDD磁気記録 |
10 |
| 1.2.3 スピントロニクス |
12 |
| 1.2.4 単電子デバイス |
13 |
| 1.3 次世代金属ナノ構造体、ナノ材料 |
14 |
| 1.3.1 金属単原子ワイヤ |
14 |
| (1) 量子化コンダクタンスとは |
14 |
| (2) 金属原子接点および金属原子ワイヤのコンダクタンス |
15 |
| (3) 金HMSナノワイヤ(金属ナノチューブ)の構造とコンダクタンス |
18 |
| 1.3.2 メタマテリアル |
20 |
| (1) 左手媒質 |
20 |
| (2) 左手メタマテリアル |
22 |
| A. 共振型左手系メタマテリアル |
22 |
| B. 非共振型左手系メタマテリアル |
23 |
| (3) 光周波数を目指すメタマテリアル |
24 |
| (4) メタマテリアルの応用例 |
26 |
| A. アンテナ |
26 |
| B. 負屈折率媒質を用いたスーパーレンズ |
29 |
| C. 物体を隠す技術 |
31 |
| (5) 二光子光造形法による三次元金属ナノ構造体 |
32 |
|
|
| 2章 金属ナノ粒子の合成と応用 |
34 |
|
|
| 2.1 金属ナノ粒子の合成法 |
34 |
| 2.1.1 金属ナノ粒子の化学的合成法 |
34 |
| (1) 気相法 |
35 |
| (2) 液相法 |
35 |
| 2.1.2 金属ナノ粒子の液相合成のトレンド |
37 |
| (1) 形状・構造制御・複合化 |
37 |
| (2) 穏やかな還元剤とマイクロ波の併用 |
37 |
| (3) 還元剤、および安定化剤を用いない液相合成法 |
37 |
| 2.2 金属ナノ粒子の粒径制御 |
38 |
| 2.2.1 粒径制御の方法 |
38 |
| 2.2.2 粒径制御(単分散)金属ナノ粒子の合成例 |
40 |
| (1) プラズモンAuナノ粒子の構造制御(筑波大学) |
40 |
(2) マイクロ波加熱によるサイズ分布幅の狭い金属ナノ粒子精密合成(大阪大学、
東京工業大学) |
43 |
| (3) 活性液面連続蒸着法による金属・合金ナノ粒子合成(物質・材料研究機構) |
46 |
| 2.3 金属ナノ粒子の形状制御 |
47 |
| 2.3.1 金属ナノ構造体の形状制御の方法 |
47 |
| (1) 高分子保護剤(キャッピング剤)の利用 |
49 |
| (2) その他の異形粒子合成法 |
49 |
| 2.3.2 自己組織化による形状制御 |
49 |
(1) 散逸ナノ構造体の光還元によるナノ中空構造を有する金ナノワイヤ、金ナノチューブの形成
(JST、九州大学) |
49 |
| (2) コバルト錯体の電解還元によるコバルトナノワイヤの自己組織的合成(千葉大学) |
53 |
| 2.3.3 ポリオール、および界面活性剤を利用した形状制御 |
54 |
| (1) Au、Agナノ粒子 |
54 |
| A. ポリオール法による巨大Auナノ正八面体の合成と光学特性(筑波大学) |
54 |
| B. マイクロ波-ポリオール法による金属ナノ粒子の形状制御(九州大学) |
56 |
| C. EDTAの吸着によるAgナノワイヤの結晶成長(慶応大学) |
59 |
| (2) Ptナノ粒子、ナノワイヤ |
60 |
A. 高性能燃料電池触媒を目指した立方体Ptナノ粒子の選択的合成
(北陸先端科学技術大学院大学) |
60 |
| B. 金平糖状Ptナノ粒子(物質・材料研究機構) |
62 |
| C. 直径2nmの単結晶白金ナノワイヤ(北陸先端科学技術大学院大学) |
63 |
| 2.3.4 エネルギー照射による形状変換 |
67 |
(1) 液晶性分子保護Auナノ粒子の紫外線照射によるディスクへの形状転換
(北陸先端科学技術大学院大学) |
67 |
| (2) フェムト秒レーザの集光照射によるCuナノワイヤの作製(京都大学) |
69 |
| 2.3.5 テンプレートの利用による形状制御 |
73 |
| (1) LB法で伸張固定させたDNAを鋳型にした銀ナノ細線技術(北海道大学) |
73 |
(2) リサイクル可能な分子集合体を鋳型に用いた磁性Niナノチューブ(東京工業大学、
大阪ガス) |
75 |
| (3) 円筒形の界面活性剤チュービュール(tubule)の表面を鋳型とした金属ナノコイル(信州大学) |
77 |
| (4) 陽極酸化アルミナ(AAO)をテンプレートとした自己組織化 |
|
|
Cu/Au/Ag/Auハイブリットナノワイヤの形成(関西大学) |
79 |
| 2.4 複合金属ナノ粒子の合成 |
80 |
| 2.4.1 二元金属ナノ粒子の構造と合成法 |
80 |
| 2.4.2 Au・Ag複合粒子の合成法の例 |
81 |
| (1) MW-ポリオール法を用いたAu-Agコアシェルナノ微結晶の合成(九州大学) |
81 |
| (2) 分散剤を利用した形状均一なAu-Agコアシェルナノロッド粒子の合成(九州大学) |
83 |
| (3) 超音波を利用した複合貴金属ナノ粒子作製プロセス(大阪府立大学) |
84 |
| (4) イオン液体へのAu、Ag同時スパッタ蒸着による合金ナノ粒子の合成(名古屋大学) |
88 |
| (5) PEO-PPOブロック共重合体を用いた還元剤不要の金属ナノ粒子の新規合成法(信州大学) |
92 |
| 2.4.3 異方性相分離を利用したL10-FePd/α-Fe交換結合ナノコンポジット磁石(筑波大学) |
94 |
| 2.4.4 自己集積型金属錯体ナノ粒子からのFeCo合金ナノ粒子(東京農工大学) |
96 |
| 2.5 金属ナノ粒子の配列制御と応用 |
97 |
| 2.5.1 二次元配列制御と応用 |
98 |
| (1) 配位子間相互作用を利用した自己組織化(筑波大学) |
98 |
| A. 新規配位子を用いたAuナノ粒子二次元超格子 |
98 |
| B. 溶媒フリーAu、Agナノ粒子の粒径制御精密・大量合成法 |
99 |
| (2) バインダ分子を利用したAuナノ粒子の二次元配列法とセンサへの応用(大阪府立大学) |
100 |
(3) ブロックコポリマーをテンプレートに用いたAuナノ粒子の精密配列(高知大学、
東京工業大学) |
104 |
| (4) 垂直磁気記録FePtナノ粒子超格子の合成と結晶構造制御 |
107 |
| A. プラズマCVD法を用いたFePtナノ粒子合成とその磁気特性(東芝) |
107 |
B. fcc-FePtナノ粒子の溶媒フリー法合成と水素処理によるL10構造への低温規則化
(筑波大学) |
110 |
| 2.5.2 一次元配列制御と応用 |
112 |
| (1) 自己組織化 |
112 |
A. Auナノ粒子のディスコチック液晶分子修飾による1次元自己集積化
(北陸先端科学技術大学院大学) |
112 |
| B. PTFE基板上への自己組織化によるAuナノ粒子チェーン(京都大学) |
113 |
| (2) DNAをテンプレートに利用する金属ナノ粒子の一次元配列 |
116 |
| A. DNA認識ペプチドを用いる金ナノ粒子の一次元配列制御(新日本石油、東京大学) |
116 |
B. 整列固定したDNAをテンプレートとしたワイヤ状金ナノアレイ(NIMS、静大、
名古屋市工業研究所) |
120 |
| C. DNAをテンプレートにした金属ナノ構造体の創製と水素センサへの応用(東北大学) |
123 |
| (3) その他のテンプレートを用いる方法 |
126 |
| A. タバコモザイクウィルスをテンプレートとした金属ナノ微粒子の一次元配列 |
126 |
| B. 脂質ナノチューブを鋳型に用いた金ナノ粒子の一次元配列(産業技術総合研究所) |
127 |
| (4) ナノワイヤからナノ粒子一次元配列への簡便な変換法(分子科学研究所) |
128 |
|
|
| 3章 金属ナノ構造体とプラズモニクス |
131 |
|
|
| 3.1 表面プラズモンとは |
131 |
| 3.1.1 伝播型(P-SP,
Propagative-Surface Plasmon)と局在型(L-SP, localized-Surface Plasmon) |
|
| プラズモンの特徴 |
131 |
| 3.1.2 伝搬・局在表面プラズモンの電場増強効果 |
133 |
| (1) 伝搬型表面プラズモン |
133 |
| (2) 局在表面プラズモン |
135 |
| 3.2 金属ナノ構造制御と局在プラズモンの新機能 |
137 |
| 3.2.1 単一金属ナノ粒子、および複合ナノ構造体の電場増強 |
138 |
| (1) 形状 |
138 |
| (2) 配列 |
139 |
| (3) ナノ構造・集積化 |
139 |
| A. 自己組織化鎖状金ナノ粒子の表面プラズモンと非線形光学特性の向上(名古屋工業大学) |
139 |
B. 動的斜め蒸着法によるAuナノロッドアレイの表面増強ラマン分光基板への応用
(京都大学、ニデック) |
143 |
| 3.2.2 局在プラズモンと周辺物質の複合による新機能 |
145 |
| (1) ナノギャップ金構造体におけるレジストの2光子重合反応 |
145 |
| (2) 金属ナノ粒子複合高分子ナノシートの光機能化(東北大学) |
146 |
| 3.2.3 局在表面プラズモンと光・電子との複合 |
150 |
| (1) 金属ナノロッドアレイによる近接場イメージング法(理化学研究所) |
150 |
| (2) プラズモンを利用した導波路とCMOS技術を結合(IMEC) |
152 |
| (3) フルカラーフィルタ(物質・材料研究機構) |
152 |
| 3.3 プラズモン導波路 |
154 |
| 3.3.1 エッジモードタイププラズモン光導波路 |
155 |
| 3.3.2 金属ナノ粒子を利用する導波路(ナノチェーン) |
156 |
| 3.3.3 表面プラズモンを用いたインターフェースデバイス |
158 |
| 3.4 近接場/表面プラズモンによる光メモリの大容量化 |
159 |
| 3.4.1 近接場光プローブ技術の動向 |
159 |
| 3.4.2 近接場光プロープの開発例 |
160 |
| (1) プラズモン共鳴型高効率近接場光プローブ(日立製作所) |
160 |
| (2) 金属微小開口面発光レーザを用いた光記録(東京工業大学) |
162 |
| 3.5 プラズモンによる光電変換素子の高効率化 |
165 |
| 3.5.1 無機系光電変換素子 |
165 |
| 3.5.2 有機系光電変換素子 |
166 |
| (1) 銀ナノ粒子を利用したバルクヘテロジャンクション型有機薄膜太陽電池 |
166 |
| (2) 光合成系有機色素太陽電池 |
167 |
| (3) 色素増感型太陽電池 |
170 |
| 3.5.3 金属ナノ粒子がSPR効果を起こす第4世代の薄膜太陽電池 |
172 |
| 3.6 表面プラズモンを用いたInGaN/GaN
の高効率発光(理化学研究所) |
173 |
| 3.6.1 プラズモニクスを用いた高効率発光 |
174 |
| 3.6.2 プラズモニック発光増強のメカニズム |
175 |
| 3.6.3 高輝度プラズモニックLEDの可能性 |
177 |
| 3.7 表面プラズモンのセンサへの応用 |
177 |
| 3.7.1 表面プラズモン共鳴(SPR)を用いたセンサ |
178 |
| (1) SPR法、及びSPR
イメージング(SPRI) |
178 |
| (2) プリズム一体型チップを用いる高感度バイオセンサ(富士フィルム) |
179 |
| (3) 心疾患マーカー検出用高感度マイクロセンシングチップ(産業技術総合研究所) |
182 |
| 3.7.2 SPR法/金属ナノ粒子を利用した高感度プラズモンセンサ |
184 |
| (1) 金ナノ粒子によるSPR法の感度増幅 |
184 |
| (2) 金属ナノ微粒子を用いた高感度SPRイメージング法(東北大学) |
184 |
| (3) 金ナノ構造制御界面を用いたSPRセンサによるTNTの超高感度検出(九州大学) |
187 |
| 3.7.3 局在表面プラズモン(LPR)を用いたバイオセンサ |
192 |
| (1) LPRの原理 |
192 |
| (2) 金ナノキャップナノ粒子構造体による非標識生体分子検出(大阪大学) |
192 |
| (3) ポーラスアルミナをテンプレートに用いたバイオセンサ(富士フィルム) |
193 |
| 3.8 表面増強ラマン散乱(SERS)への応用 |
196 |
| 3.8.1 表面増強ラマン散乱の概要 |
196 |
| (1) ラマン散乱、表面増強ラマン散乱(SERS)とは |
196 |
| (2) 表面増強ラマン散乱(SERS)の特徴 |
197 |
| (3) 応用 |
197 |
| (4) 表面増強ラマン散乱のメカニズムと検証(産業技術総合研究所) |
198 |
| 3.8.2 金属ナノ構造体を用いた単一分子のSERS分光・イメージング例 |
200 |
(1) 金属チップ増強型表面増強ラマン散乱顕微鏡による生体分子の
マイクロ・ナノ分光イメージング |
200 |
| (2) 銀ナノ粒子を利用した細胞表面の高感度SERS分光法(産業技術総合研究所) |
202 |
| (3) レーザ光で捕捉した銀ナノ粒子による表面増強ラマン散乱分光(大阪大学) |
204 |
| 3.8.3 金属ナノ構造体を用いたSERS高感度計測例 |
205 |
| (1) 高感度化の方法 |
205 |
| (2) 金ナノ粒子鎖状集合体を用いた溶液内in
situ超高感度分子分析(同志社大学) |
205 |
| (3) 異方性金属ナノ粒子配列構造形成によるSERS活性の向上 |
208 |
| (4) 金ナノ粒子凝集体を用いたSER遺伝子解析(北陸先端科学技術大学院大学) |
211 |
|
|
| 4章 金属ナノ磁性体とスピントロニクス |
216 |
|
|
| 4.1 ナノ磁性体の挙動 |
216 |
| 4.1.1 粒子サイズと磁気特性 |
216 |
| 4.1.2 電子のスピンを反映した伝導現象 |
217 |
| (1) 巨大磁気抵抗効果(GMR) |
217 |
| (2) トンネル磁気抵抗効果(TMR) |
219 |
| 4.2 次世代HDD磁気記録の動向 |
219 |
| 4.2.1 HDDの大容量化・高密度磁気記録技術 |
220 |
| (1) 磁気記録における熱擾乱と対策 |
220 |
| (2) 新しい記録方式 |
221 |
| A. ビットパターンドメディア |
221 |
| B. 熱アシスト磁気記録またはマイクロ波アシスト磁気記録 |
223 |
| C. シングル磁気記録(SMR：Singled
Write Magnetic Recording)技術 |
224 |
| 4.2.2 熱アシスト磁気記録可能なFePtAg-C膜ナノ粒子媒体の開発(物質・材料研究機構) |
224 |
| 4.2.3 パターンドメディアの開発 |
226 |
| (1) パターンドメディアの作製法 |
226 |
(2) 金属ガラス薄膜に熱インプリント技術を適用したTbits/in2以上の磁気記録媒体の
新たな製作技術(NEDO) |
226 |
| (3) ブロックコポリマーを用いた熱アシスト磁気記録用パターンドメディア(東芝、日立マクセル) |
228 |
| 4.2.4 高感度再生ヘッドの開発 |
233 |
| (1) CoFeB/MgO/
CoFeB構造のTMR素子 |
233 |
| (2) CPP-GMRヘッド |
235 |
| (3) 1Tbit
を目指したCPP-GMRヘッド(日立製作所・日立グローバルストレージテクノロジーズ) |
236 |
| 4.2.5 2.5Tbit/in2を目指した近接場光利用の記録ヘッド(日立製作所) |
237 |
| 4.3 スピン注入型MRAMの開発 |
238 |
| 4.3.1 MRAM大容量化の課題 |
239 |
| 4.3.2 スピン注入磁化反転型MRAM(スピンRAM) |
240 |
4.3.3 積層型フリー層を用いたトンネル磁気抵抗素子による書き込み電流の増大と
記憶安定性の向上 |
245 |
| 4.3.4 垂直磁化方式スピン注入MRAM |
246 |
| (1) TbCoFe/CoFeB系垂直磁化TMR素子を用いたスピンMRAMの磁化反転の実証(東芝) |
247 |
| (2) 垂直磁化TMR素子の低RA・高MR化による読み出し性能の向上(産業技術総合研究所) |
250 |
| 4.3.5 面内磁化方式スピンRAMの開発 |
253 |
| (1) スピンRAMの低消費電力化と熱安定性の向上(東北大学/日立製作所) |
253 |
| (2) 多値のスピン注入MRAM(東北大学/日立製作所) |
255 |
| 4.3.6 その他 |
256 |
| (1) 書き込み電流を1ケタ低減できる混載向けスピントルク磁壁移動書き込みMRAM(NEC) |
256 |
| (2) スピンRAMの誤書き込みを防ぐ方式を開発(富士通研究所) |
257 |
| 4.4 ハーフメタルを用いたスピンエレクトロニクスの動向 |
258 |
| 4.4.1 ハーフメタルとスピン分極率 |
259 |
| 4.4.2 HDD読み取りヘッドに要求される性能とハーフメタルへの期待 |
260 |
| 4.4.3 ハーフメタルの磁気抵抗素子(MTJ)への応用 |
261 |
| (1) Co基フルホイスラー合金を用いたMTJの室温におけるTMRの進展 |
261 |
| (2) Co2(Cr,Fe)Al(CCFA) |
262 |
| (3) Co2MnZ(Z＝Ge,Si, Al
etc.) |
262 |
| (4) Co2FeAlxSi1-x |
263 |
| (5) Co2FeAl0.5
Si0.5(CFAS) |
265 |
| A. 室温におけるハーフメタルギャップの観測 |
265 |
| B. TMRの温度依存性 |
265 |
| 4.4.4 ホイスラー合金ハーフメタルのCPP-GMRへの応用 |
266 |
| (1) Co2MnGe系CPP-GMR |
267 |
| (2) CFAS系CPP-GMR |
267 |
|
|
| 5章 金属ナノ構造体を用いた次世代電子デバイス・材料 |
272 |
|
|
| 5.1 単電子デバイスの概要 |
272 |
| 5.1.1 単電子トランジスタ |
272 |
| 5.1.2 量子ドットメモリ |
274 |
| 5.2 金属ナノ構造体を用いた単電子デバイスの開発 |
275 |
| 5.2.1 単電子トランジスタ |
275 |
(1) ハイブリッド型微細加工技術を用いた金ナノ粒子の室温単電子トンネリング効果
(理化学研究所) |
276 |
| (2) 精密ボトムアップ手法による単電子トランジスタの構築(東京工業大学) |
279 |
| (3) 陽極酸化Alナノドットの作製とクーロン階段の室温観測(東北大学) |
283 |
(4) 電界放射電流誘起型エレクトロマイグレーションによる単電子トランジスタの集積化
(東京農工大学) |
286 |
| 5.2.2 不揮発メモリ |
291 |
| (1) 金属ナノドットを用いた半導体不揮発メモリ(東北大学) |
291 |
| (2) ナノギャップ電極を用いた新しい不揮発性メモリ(産業技術総合研究所、船井電機) |
296 |
| 5.2.3 バイオ分子の自己組織化を利用した単電子デバイス(奈良先端大学、パナソニック) |
299 |
| (1) バイオミネラリゼーションナノ粒子の作製 |
299 |
| (2) フェリチン内包ドットの量子効果素子への応用 |
300 |
| (3) High-k膜を利用したバイオ系ドット型フローティングゲートメモリ(奈良先端大学、半導体理工学研究センター、CREST) |
303 |
| 5.3 次世代スピンエレクトロニクスデバイス |
306 |
| 5.3.1 金属系スピントロニクス素子 |
307 |
| (1) 強磁性単電子トランジスタを用いた新しいスピンメモリ(東京農工大学) |
307 |
| (2) 金属ナノ粒子グラニュラー膜を用いたスピン量子ドットメモリ |
310 |
| (3) 金属ナノ構造素子におけるスピンホール効果の観測 |
314 |
| A. スピンホール効果とは |
314 |
| B. Ptのスピンホール効果(理化学研究所) |
315 |
| C. Auの室温巨大スピンホール効果の観測(東北大学) |
318 |
| 5.3.2 有機分子系スピントロニクス素子 |
319 |
| (1) C60-Co薄膜の巨大な磁気抵抗(TMR)効果の起源(日本原子力開発機構) |
319 |
| (2) スピン分極ワイヤで連結した金ナノ粒子ネットワークの新しい機能(東京大学) |
322 |
| 5.4 金属ナノ構造体を用いたナノワイヤ |
326 |
| 5.4.1 金属原子ナノワイヤの構造と量子化電気伝導(東京工業大学) |
326 |
| (1) 金属接点のコンダクタンス測定 |
326 |
| (2) TEM-STM法による金ナノワイヤの電気伝導の測定 |
327 |
| A. 金ナノワイヤの結晶方位依存性とコンダクタンス |
327 |
| B. 金＜110＞ナノワイヤの構造とコンダクタンス |
329 |
| 5.4.2 金属ナノワイヤ内包ナノチューブの合成と新機能 |
332 |
| (1) 自己集合分子ナノチューブ内で形成される幅1
nm以下の銀ナノワイヤ |
332 |
| (2) 銅アセチリドナノワイヤからの炭素被覆銅ナノワイヤへの変換 |
333 |
| (3) カーボンナノチューブの内部空間を利用した金属ナノワイヤの合成と新機能 |
334 |
| A. モリブデン原子ワイヤを内包した2層カーボンナノチューブ(信州大学) |
334 |
| B. ナノテンプレート反応による金属原子内包2層カーボンナノチューブ(名古屋大学) |
335 |
| C. 強磁性FeCo合金を内包する多層CNT(物質・材料研究機構) |
342 |
| D. C60からのCo原子列内包型単一壁炭素ナノチューブ(日本原子力研究所) |
343 |
| (4) タバコモザイクウィルスを鋳型に用いたCo-Pt、およびFe-Pt強磁性ナノワイヤ |
344 |
| (5) 金ナノ粒子を内包したシリカナノワイヤのプラズモン光導電 |
344 |
Copyright 2012 TORAY RESEARCH CENTER, Inc.
