Research Themes

磯野研究室の主な研究を紹介します。研究テーマをクリックすると該当テーマ紹介へジャンプします。
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（1）低次元ナノ半導体マルチフィジックス特性解明の挑戦

ナノメートルスケールまでダウンサイジングされた半導体ナノ材料は、バルク材料とは異なる特性を発現します。
特に、一次元構造であるナノ細線は、巨大な弾性歪み場においても破壊することなく、電気的、磁気的、熱的、光学的特性が大きく変化することが予測されており、 次世代の高性能マイクロデバイスの機能素子としての利用が期待されています。そこで本研究では、MEMS技術を用いて、 半導体ナノ細線単体での巨大歪み場での物理特性の解明を目指します。

◆Si系NW（シリコン系ナノワイヤ）の機械的・電気的物性解明
１．MEMS技術を応用したナノ材料機械・電気特性評価（①②）
２．コアシェルSiCナノワイヤの電気伝導性に及ぼすシェル表面電位の影響解明（①②④）
３．VLSボトムアップ成長Core-Shell 3C-SiCナノワイヤの巨大歪み誘起物性の解明（①②④）
４．VLSボトムアップ成長n型Siナノワイヤの機械電気特性評価
５．架橋成長シリコンナノワイヤの 熱電特性評価（①②④）

（2）低次元ナノ細線材料の創製

主に，低次元ナノ細線材料であるカーボンナノチューブ、シリコンナノワイヤの創製技術を確立しています。例えば、 VLS-CVD法*によるシリコンナノワイヤ成長技術を独自の装置で開発しています。
*VLS-CVD法：Vapor-Liquid-Solid Chemical Vapor Deposition

◆VLS-CVD法によるシリコンナノワイヤ成長技術の確立

（3）応用MEMSデバイスの開発

各種マイクロ応用センサ・アクチュエータデバイスを開発しています。とくに、ナノ材料を融合した新機能デバイスの開発を推進しています。

◆水素ガス微量検出に向けたCNT集積MEMS共振型ガス種識別センサデバイスの開発
◆樹脂埋め込み3軸力覚MEMSセンサ
◆低侵襲医療用極小MEMS力覚センサの開発

（4）プラズモニック金ナノ構造の作製と高感度センサへの応用

金ナノ粒子合成やナノ粒子配列技術を駆使して，プラズモニックナノ構造の作製技術を推進しています。 さらにそれを応用して，1分子検出感度を有する表面増強ラマン分光（SERS：Surface Enhanced Raman Spectroscopy）技術を開発し， バイオ・ケミカル分析への応用を進めています。

◆金ナノ粒子配列技術
◆金ナノ粒子配列を用いた表面増強ラマン分光（SERS）によるバイオ・ケミカル分析技術
◆金ナノギャップ電極を用いた1分子DNA挙動計測および1分子マニピュレーションへの応用
◆金ナノ粒子直鎖配列を用いた表面増強ラマン分光（SERS）マイクロ・ナノ流体デバイス
◆金ナノ構造の光熱変換を用いたレーザ波長計測MEMS振動子デバイス
◆金ナノ構造吸収体集積静電容量型MEMS共振デバイスを用いた近赤外高感度センシング
◆金ナノ構造を用いた光波長依存性を有する熱型近赤外分光検出デバイス



Research Contents

MEMS技術を応用したナノ材料機械・電気特性評価
歪み制御低次元ナノ半導体材料の特異なマルチフィジックス特性を有効に使えば、高機能デバイスや高感度MEMSセンサの実現が期待できます。
当研究室では、ナノ材料のデバイス応用を目的に、その基礎となる一次元ナノ半導体材料やナノ厚薄膜材料に対する機械的性質やマルチフィジックス特性の解明研究を推進してきました。
ここでは、独自開発してきたMEMSデバイスを用いて、カーボン系、シリコン系半導体ナノワイヤや、金ナノ薄膜の高精度物性評価に成功してきました。
以下に、カーボン系、シリコン系半導体ナノワイヤの機械的特性および歪み誘起電気伝導特性（ピエゾ抵抗効果）に関する研究成果をご紹介します。
【主要論文・発表】
■"Mechanical Characterization of Sub-100-nm Thick Au Thin Films by Electrostatically Actuated Tensile Testing with Several Strain Rates”, H.-J. Oh, S. Kawase, I. Hanasaki, Y. Isono, Japanese Journal of Applied Physics, 53, No.2, 027201 doi:10.7567/JJAP.53.027201.
■“Strain Rate Dependence of Mechanical Properties for Sub 100 nm-Thick Au Film Using Electrostatically Actuated Nano Tensile Testing Device”, H.-J. Oh, I. Hanasaki, Y. Isono, Seung-Woo Han, and Hak-Joo Lee, The 24th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems, IEEE, January, MEXICO, 2011.
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コアシェルSiCナノワイヤの電気伝導性に及ぼすシェル表面電位の影響解明
コアシェルSiCナノワイヤの表面電位が電気伝導性に及ぼす影響を調べています。 独自のMEMS技術とナノ材料マニピュレーション技術を組み合わせて直径50nm程度のSiCナノワイヤ電気伝導性を評価するデバイスを作製しました。 SiCをコアとし，シェルの材質を変化させることでの表面電位を制御し，その電気伝導性への影響を明らかにしました。

■ 資料（pdfファイル）
【主要論文・発表】
■”コアシェルSiC ナノワイヤの電気伝導性に及ぼすシェル表面電位”，井ノ山 滉大，仲田 進哉，上杉 晃生，菅野 公二，磯野 吉正， 第36回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム，アクトシティ浜松，静岡県浜松市，2019年11月19-11月21日， 20am2-PS3-31 (4p).
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VLSボトムアップ成長Core-Shell & 3C-SiCナノワイヤの巨大歪み誘起物性の解明
　ワイドギャップ半導体であるSiCは、Siに比べて絶縁破壊電界強度、飽和電子速度および熱伝導率が高く、 　パワー半導体デバイス材料として利用されています。SiCには積層順序の違いによって多種のポリタイプが存在し， 　主要なものとしては2H-SiC、3C-SiC、4H-SiC、6H-SiCなどが存在します。現在、4H-SiCを用いたパワーデバイスの開発が進められていますが、 　3C-SiCについても、その低いフォノン分散により高い電子移動速度と飽和電子移動速度を持っており、また、MOS界面での界面準位密度が低く、 　高いチャネル移動度を有することから、デバイス応用が期待されています。本研究では、VLS法によってボトムアップ成長した3C-SiCナノワイヤに対して、 　MEMSデバイスによる機械的性質とピエゾ抵抗効果の解明に成功しています。
■資料（pdfファイル）
【主要論文・発表】
■MEMS-BASED MECHANICAL CHARACTERIZATION OF CORE-SHELL SILICON CARBIDE NANOWIRES FOR HARSH ENVIRONMENTAL NANOMECHANICAL ELEMENTS", S. Nakata, K. Sugano, M. Negri, F. Rossi, G. Salyiati, A. Lugstein, and Y. Isono, Proc. of The 29th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS2016), pp. 543-546 (2016)
■"Strain engineering of core?shell silicon carbide nanowires for mechanical and piezoresistive characterizations", S. Nakata, A. Uesugi , K. Sugano, F. Rossi, G. Salviati, A. Lugstein and Y. Isono, Nanotechnology, Vol. 30, No. 26, 265702 (12p) (2019)
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VLSボトムアップ成長n型Siナノワイヤの機械電気特性評価
　半導体ナノワイヤはナノスケールへと寸法が減少し、かつ一次元化するのに伴って、バンドギャップやバンド構造が変化する。 　また、常温における破壊に至る歪みが増大するため、巨大歪み下でのピエゾ抵抗効果の増大が期待できます。 　本研究は、単結晶SiナノワイヤのMEMS機械量センサ素子への適用を目指して、VLS（Vapor-liquid-solid）法によって 　ボトムアップ成長させたSiナノワイヤ単体の機械強度とピエゾ抵抗効果を解明しました。SiナノワイヤはMEMSデバイス上に 　VLS法にて直接架橋成長させる手法を開発することで、接触抵抗を低減させた高精度な機械電気連成特性評価を可能にしました。

　【応用例】極小機械量センサ素子
■資料（pdfファイル）
【主要論文・発表】
■“Electrostatic Actuated Strain Engineering in Monolithically Integrated VLS Grown Silicon Nanowires”, S. Wagesreither, E. Bertagnolli, S. Kawase, Y. Isono, and A. Lugstein, Nanotechnology, Vol. 25, (2014), 455705 (6pp).
■Tuning the Tensile Strain in Silicon Nanowires by an Electrostatic Actuated MEMS Device, S. Wagesreither, A. Lugstein, Y. Isono, E. Bertagnolli, MRS Fall Meeting, (2013), Boston, USA.
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架橋成長シリコンナノワイヤの 熱電特性評価
未利用エネルギーを有効活用する技術として，固体材料内で発生した温度差により熱起電力が生じるゼーベック効果に基づく，熱電変換技術が注目されています。 SiNWの熱電変換効率は実用水準ZT=1よりも低く，SiNWsを用いた高効率熱電発電素子の実現のためには変換効率を向上させる必要があります。 本研究ではSiNWsを絶縁膜で被覆したコア/シェルSiNWsを用いた熱電発電に注目し，コア/シェル構造化によるSiNWsの熱電変換効率の向上を目指しています。 VLS法によるマイクロトレンチ内でのSiNWs架橋成長と合わせた熱電特性評価デバイスの作製を行い，架橋成長SiNWsの電気的特性と熱起電力の評価を行っています。
■資料（pdfファイル）
【主要論文・発表】
■ Evaluation of Thermoelectric Properties of VLS-Grown Bridged Si Nanowire, A. Uesugi, R. Kitagawa, R. Oguni, K. Sugano and Y. Isono, 32nd International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC2019), International Conference Center Hiroshima, Hiroshima, Japan, Oct. 28-31 2018, 31P-9-48 (2p).
■ 架橋成長Si ナノワイヤの熱電特性評価に関する研究，北川 諒，岸本 卓巳，小國 凌，上杉 晃生，菅野 公二，磯野 吉正， 第36回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム，アクトシティ浜松，静岡県浜松市，2019年11月19-11月21日，20am2-PS3-21 (4p).
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VLS-CVD法によるシリコンナノワイヤ成長技術の確立
　VLS-CVD法によって単結晶Siナノワイヤ（SiNWs）をボトムアップ結晶成長させる技術を確立しています。単結晶Siナノワイヤは、一次元ナノ半導体であるため、状態密度の量子化により電気伝導特性が大きくなると考えられています。また、直径がナノメートルオーダーに減少することで、フォノンの平均自由行程が制限され、熱伝導率が大幅に減少することが知られています。本研究では、半導体ナノワイヤの特異な特性をデバイスに活用すべく、VLS-CVD法によって単結晶Siナノワイヤの結晶成長技術の確立を行っています。
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水素ガス微量検出に向けたCNT集積MEMS共振型ガス種識別センサデバイスの開発
水素燃料を安全に活用するためには，タンクからのガス漏れを検知するセンサが必要となります。爆発が起こる前ではなく，非常に小さな漏れの段階でそれを検知するために， 高感度なガスセンサを開発しました。
マイクロメータスケールの共振器にカーボンナノチューブを集積したセンサデバイスです。真空状態にガスが漏れると，共振器の減衰が変化しセンサとして機能することを明らかにしました。また，ガス分子の付着による質量変化を共振周波数変化として検出できることを明らかにしました。このセンサにより，水素のおよび窒素（空気）の微量な漏れを検知することができます。

■資料（pdfファイル）
【主要論文・発表】
■"Fabrication and Characterization of CNT Forest Integrated Micromechanical Resonator for Rarefied Gas Analyzer in Medium Vacuum Atmospher", Koji Sugano, Ryu Matsumoto, Ryota Tsutsui, Hiroyuki Kishihara, Naoki Matsuzuka, Ichiro Yamashita, Yukiharu Uraoka, Yoshitada Isono, Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol. 26, No. 7, 075010 (9p) (2016)
■“Development of MWCNT Embedded Micromechanical　Resonator Working as Rarefied Gas Sensor”, H. Kishihara, I. Hanasaki, N. Matsuzuka, I. Yamashita, Y. Uraoka, and Yoshitada Isono, The 26th IEEE Int. Conf. on MEMS2013, Taipei, Jan. 20-24, 2013.
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樹脂埋め込み3軸力覚MEMSセンサ
近年，ロボットハンドのマニピュレーション技術の高精度化のために，静電容量型，ピエゾ圧電型，ピエゾ抵抗型といった様々な種類の力覚センサが開発されています。 しかし，既存の力覚センサには，小型化による感度の低下や，高精度なせん断力の検知が困難であるなどの課題があります。 そこで本研究では，不純物拡散工程と高温パンチクリープ成形加工とを融合したSi薄膜の三次元マイクロ構造化技術を用いて3軸力覚MEMSセンサの作製を行い， ロボットハンドへの実装を見据えた性能評価を行っています。
【主要論文・発表】
■"A Novel 3-axis Tiny Tactile Sensor Developed by 3-D Microstructuring Using Punch Creep Forming Process", K. Osaka, S. Nakata, K. Yamamoto, T. Toyoda, Koji Sugano, and Yoshitada Isono, The 31st IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS2018), Belfast, Northern Ireland, UK, Jan. 21-25 2018, T-200.
■"Development of 3D Formed Tactile Sensor by High Temperature Punch Creep Forming Technique", Kyosuke Nimura, Kenji Osaka, Takao Toyoda, Akio Uesugi, Koji Sugano, Yoshitada Isono 31st International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC2018), Sapporo Park Hotel, Sapporo, Japan, Nov. 13-16 2018, 14C-2-6 (2p).
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低侵襲医療用MEMS力覚センサの開発（⑤）
現在、カテーテルや内視鏡を用いた低侵襲性医療が広く普及していますが、これら医療機器を体の各管内に挿入する際に、機器先端が管内側壁と衝突し、 管側壁を損傷する場合があります。そこで、超小型で３軸方向の力覚検知が可能な、外径260 μm の極小MEMS触覚センサを開発しています。 ピエゾ素子と円筒部分が集積された”検知部”と，外径260 μm の円筒型Si基板の内部に貫通電極を有する”電極部”を接合した構造を作製しています。
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金ナノ粒子配列技術
金ナノ粒子が発現するプラズモン共鳴の特性は近接する他の粒子との相互作用に大きな影響を受けます。 プラズモン共鳴特性を制御するために所望のナノ粒子配列を実現する技術が必要になると考えました。 そこで，ナノスケールの溝をテンプレートとしたセルフアセンブル粒子配列技術を構築しました。 左の写真は１分子表面増強ラマン分光（SERS）用に作製した直径60nmのナノ粒子二量体配列です。 本技術を使うことで，右の写真のようにナノ粒子間隔を制御可能です。また，ナノ粒子連結個数も変えることができ， それにより吸収スペクトルにおけるピーク波長を制御可能であることを示しました。
【主要論文・発表】
■ Fabrication of gold nanoparticle pattern using combination of self-assembly and 2-step transfer, K. Sugano et al., Sensors and Materials, vol. 23, no. 5, pp.263-275, 2011.
■ Versatile Method of Submicroparticle Pattern Formation Using Self-Assembly and Two-Step Transfer, T. Ozaki, K. Sugano et al., Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 16, No. 3, pp.746-752, 2007.
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金ナノ粒子配列を用いた表面増強ラマン分光（SERS）によるバイオ・ケミカル分析技術
　超高感度な１分子表面増強ラマン分光（SERS）計測技術を開発しました。
　金ナノ粒子を2つ連結させた「金ナノ粒子二量体」を，連結方向をそろえて等間隔に配列することで，巨大なラマン増強度を有するSERS基板を実現しました。 　分子を１分子感度で短時間で検出・識別することが可能です。これまでに，農薬成分分子やDNA塩基分子を高感度に検出・識別できることを示してきました。 　さらに，単一のDNA断片の中の単一のDNA塩基を検出・同定が可能であることを示しました。
＊SERS：Surface Enhanced Raman Spectroscopy
【応用例】農作物や水の中の農薬成分検出，爆薬成分等危険物質の検出，DNAや代謝産物などの生体分子識別，DNAシーケンシング

■資料（pdfファイル）
【主要論文・発表】
■ Characterization method of relative Raman enhancement for surface enhanced Raman spectroscopy using gold nanoparticle dimer array K. Sugano, K. Ikegami, Y. Isono, Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 56, No. 6S1, 06GK03 (5p) (2017)
■ Single-molecule surface-enhanced Raman spectroscopy of 4,4'-bipyridine on a prefabricated substrate with directionally arrayed gold nanoparticle dimers K. Sugano, K. Aiba, K. Ikegami, Y. Isono, Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 56, No. 6S1, 06GK01 (5p) (2017)
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金ナノギャップ電極を用いた1分子DNA挙動計測および1分子マニピュレーションへの応用
　金ナノギャップ電極に光を照射することで，プラズモン共鳴による局所的電磁場増強場をギャップ部分に生成し， 　DNA分子など生体分子を１分子感度で検出するとともにナノギャップ計測部へトラップできることを示しました。 　ナノ粒子を基板上に配列した後にナノ電極配線を作製することでナノギャップ生成が可能です。 　光を照射することでSERSや電気的検出の計測部へ自然発生的に分子トラップすることが可能となります。 　将来的に分子挙動を計測し制御することでDNAシーケンシングなど１分子計測技術を実現します。
【応用先】DNA１分子検出，DNAシーケンシングなどのバイオセンサ

■資料（pdfファイル）
【主要論文・発表】
■Manipulation of biomolecules into nanogap by plasmonic optical excitation for highly sensitive biosensing, A. Morita, A Uesugi, K Sugano, and Y Isono, The 20th International Conference onSolid-State Sensors, Actuators and Microsystems (Transducers2019), Berlin, Germany, Jun. 23-27 2019, pp. 166-169.
■光励起ナノギャップ電極を用いたDNA オリゴマーの光トラップおよび１分子検出，森田 明宏，上杉 晃生，菅野 公二，磯野 吉正 第36回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム，アクトシティ浜松，静岡県浜松市，2019年11月19-11月21日，20am2-PS3-57 (6p)（優秀ポスター賞）.
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金ナノ粒子直鎖配列を用いた表面増強ラマン分光（SERS）マイクロ・ナノ流体デバイス
　ナノ粒子をナノチャネルに集積した表面増強ラマン分光（SERS）ナノ・マイクロ流体デバイスを構築しました。ナノ粒子を直線的に配列し，粒子連結方向に偏光したレーザ光を入射することで高いラマン増強度を得ることができます。本デバイスではナノ粒子が流路に沿って直線的に配列されているため，高い増強度が期待されます。このデバイスを用いてナノ流路に分析対象溶液を送液し，高感度に分子検出が可能であることを実証しました。
　ナノ流路の作製のために，電子ビームリソグラフィを用いないフォトリソグラフィを主体としたプロセスを構築しました。多数のナノ流路アレイが一括で作製可能です。

【応用先】DNA１分子検出，DNAシーケンシングなどのバイオセンサ 　
【主要論文・発表】
■Surface-Enhanced Raman Spectroscopy using Linearly Arranged Gold Nanoparticles Embedded in Nanochannels, K. Sugano et al., Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 54, No. 6S1, 06FL03 (6p) (2015)
■Surface-Enhanced Raman Spectroscopy Analysis Device with Gold Nanoparticle Arranged Nanochannel, T. Takeshita, K. Suekuni, K. Aiba, K. Sugano, Y. Isono, Electronics and Communications in Japan, Vol. 100, No. 4, pp. 33-41 (2017) 2015.
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金ナノ構造の光熱変換を用いたレーザ波長計測MEMS振動子デバイス
　現在光通信では多数のレーザ波長を用いて大容量通信を行っています。しかし，さらなる大容量化にはレーザ波長の校正技術が必要となります。 そこでレーザ波長のずれを高感度に検出するマイクロ振動子デバイスを作製しました。 金ナノ周期構造は光の吸収を制御することができます。光の吸収率がレーザ波長によって異なる性質を利用し， 波長が変化したときの微小振動子の温度変化から波長のずれを検知します。 振動子の温度が変わると熱応力により共振周波数が変化するためです。
　これまでに，レーザ波長のずれを高感度に検出できることを明らかにしました。 インターネットの大容量化・高信頼化に貢献できると考えられます。

■資料（pdfファイル）
【主要論文・発表】
■ Effect of clamped beam pattern on resonant frequency shift of microresonator under near-infrared laser irradiation K. Takegami, K. Nakafuji, N. Arai, A. Uesugi, K. Sugano, and Y. Isono, Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 59, No. SI (2020)
■ Microresonator with gold nanorod array for laser wavelength measurement by photo−thermal conversion, K. Sugano, Y. Tanaka, E. Maeda, R. Kometani, Y. Isono, The 30th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS2017), Las Vegas, USA, Jan. 22-26 2017, pp.159-162.
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金ナノ構造吸収体集積静電容量型MEMS共振デバイスを用いた近赤外高感度センシング
　近赤外領域の光は従来の光情報通信だけでなく，振動分光やLiDAR（自動運転などの測距デバイス）などへの応用が期待されています。 　高コストなInGaAsなどの化合物半導体を用いたフォトダイオードではなく，安価で小型化が可能な高感度Si光検出器の実現を目指しています。 　金ナノ構造を用いた近赤外領域光吸収体を搭載した静電容量型MEMS振動子デバイスを作製し，高感度化に向けた取り組みを行っています。 　光吸収体は約100nm幅の直線状構造が規則的に並んだ構造をしており，高い吸収率と吸収波長選択が実現できます。 　それを用いて，光の強度や光の波長を高感度に計測できることを示しました。右下の図では光波長変化によって共振周波数がシフトした結果を示しています。

■資料（pdfファイル）
【主要論文・発表】
■ Microresonator-Based Photodetector of Near-Infrared Light Using Electrostatic Transducers K. Nakafuji, A. Uesugi, K. Sugano and Y. Isono 32nd International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC2019), Hiroshima, Japan, Oct. 28-31 2019, 30C-5-1 (2p).
■ 静電型マイクロ振動子トランスデューサを用いたシリコン近赤外光強度センサ 中藤 康太，上杉 晃生，菅野 公二，磯野 吉正 第36回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム，アクトシティ浜松，静岡県浜松市，2019年11月19-11月21日，20pm3-LN2-92 (2p).
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金ナノ構造を用いた光波長依存性を有する熱型近赤外分光検出デバイス
　近赤外領域を用いた振動分光は食品検査や塗料検査，工場での異物検査，医療診断など幅広い分野で活躍しています。 　従来は分光器と高コストなInGaAsなどの化合物半導体を用いたフォトダイオードが使われており，装置は大型で高コストとなります。 　そこで本研究では，安価で小型化が可能なボロメータ型Si分光器の実現を目指しています。 　それにより，例えば食品検査では，小型・低コストでスマートフォンやタブレットに取り付けるシステムを実現し， 　個人や小売店での腐敗・産地偽装・毒物などの検出が期待できます。 　これまでに波長依存性を有する光吸収体とボロメータを集積したデバイスを試作し，入射光の波長依存性を測定できることを明らかにしました。
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