This is a web page of MI-1 lab. in Department of Mechanical Engineering, Kobe University.

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Research Themes

磯野研究室の主な研究を紹介します。

（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

（2）低次元ナノ細線材料の新創製

（3）MEMS応用デバイスの新開発

（4）プラズモニックナノ構造の作製と高感度センサへの応用

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（既に第４世代に至っています）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】 例えば、Auナノ厚薄膜の機械特性評価に関して ■" Mechanical Characterization of Sub-100-nm Thick Au Thin Films by Electrostatically Actuated Tensile Testing with Several Strain Rates”, Hyun-Jin Oh, Shinya Kawase, Itsuo Hanasaki, and Yoshitada 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”, Hyun-Jin Oh, Itsuo Hanasaki, Yoshitada 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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FIB-deposition カーボンナノワイヤの機械・電気特性評価
	FIB(Focused ion beam）顕微鏡中にフェナトレンガスを導入することで、アモルファスカーボン製ナノ構造体を作製することができます。本手法を用いて、カーボンナノワイヤをMEMSデバイス上に架橋し、巨大歪みを付与することで同カーボンナノワイヤの機械的性質やピエゾ抵抗効果を定量的に評価することに成功しました。FIB-depositionカーボンナノワイヤにはガリウムイオンがコアとして残存するため、複雑な歪み誘起電気伝導特性を示します。しかしながら、同ガリウムコアを取り除くことで、アモルファスカーボンナノワイヤ本来のn型ピエゾ抵抗効果を示すことが予測されました。今後、ナノ機械量センサ素子としての利用が期待できます。 ■ 資料 2（pdfファイル）
【主要論文・発表】 ■ “Piezoresistance Effect of FIB Deposited Carbon Nanowires under Severe Strain”, M. Kiuchi, S. Matsui and Y. Isono, Journal of Micromechanics and Microengineerings, Institute of Physics, Vol. 18, No. 6, 065011(10pp), 2008 ■"Mechanical Characteristics of FIB Deposited Carbon Nanowires Using an Electrostatic Actuated Nano Tensile Testing Device", M. Kiuchi, S. Matsui, and Y. Isono, JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS, Vol. 16, No. 2, 2007. ■“Evaluation of Piesoresistive Effects for Carbon Nanowire Using MEMS Actuators”, M. Kiuchi, Y. Isono, S. Matsui and K. Nakamatsu, Proc. of The 14th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems, IEEE, pp. 1557-1560, Lyon, France, Jun, 2007. ■“Mechanical and Electrical Properties Evaluation of Carbon Nanowire Using Electrostatic Actuated Nano Tensile Testing Devices (EANAT)”, M. Kiuchi, Y. Isono, S. Sugiyama, T. Morita and S. Matsui, Proc. of The 5th IEEE Conference on Nanotechnology (IEEE-NANO), IEEE, CD-ROM(4 pages), Nagoya, Japan, Jul., 2005.
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多層カーボンナノチューブの機械・電気特性評価
	強度が鋼の10〜20倍、熱伝導性が銅の10倍といわれているカーボンナノチューブ（CNTs）には、単層CNTsと多層CNTsに分けられます。電気伝導性が金属的性質を持つ多層CNTsは電子デバイス内のビア配線材料として期待されています。駆動中の電子デバイスは大量の熱量を発生するため、ビア配線材料には大きな熱応力が常に作用することになり、ビア配線材料に対する機械的、電気的信頼性を確保することが何より重要です。本研究では、MEMSデバイスを用いて、多層CNTs単体での機械的特性と、巨大な歪み下での電気的特性を高精度に解明しました。MEMSデバイスには、歪み発生用静電アクチュエータと歪み検出用差動容量変位センサを集積させることで、変位分解能サブnmオーダー、荷重分解能nNオーダーの計測を実現しています。多層CNTs単体の物性の詳細については、参考文献をご参照下さい。 ■ 資料 3（pdfファイル）
【主要論文・発表】 ■“Characterization of Interlayer Sliding Deformation for Individual Multiwalled Carbon Nanotubes Using Electrostatically Actuated Nanotensile Testing Device”, H-J Oh, H. Omori, M. Sadakata, I. Tsubokura, and Y. Isono, Journal of Micro Electro Mechanical Systems, IEEE/ASME, Vol. 23, No. 4, (2014), pp. 944-954. ■“Anomalous Resistance Change of Ultrastrained Individual MWCNT using MEMS-Based Strain Engineering”, K. Yamauchi, T. Kuno, K. Sugano, Y. Isono, The 28th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS2015), pp. 369-372 (2015). ■“Development of In-Situ SEM Nano Manipulation & MEMS-Based Testing System with Ultra-Precision Displacement Sensors for Nanomechanics of MWCNTs”, H. Ohmori, M. Sadakata, I. Tsubokura, I. Hanasaki, and Y. Isono, The 25th IEEE Int. Conf. on MEMS (MEMS 2012), Paris, FRANCE, 29th Jan., 2012.
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単結晶Siナノワイヤの常温〜中温度領域における機械特性評価
	MEMSの構成材料である単結晶シリコンは常温下で脆性破壊に至りますが、高温下では転位の発生・移動に伴う塑性変形が生じます。とくに、マイクロ、ナノスケールへと寸法が減少すると、単結晶シリコンは高応力にも耐えるため、転位発生・移動に必要な熱活性エネルギが低下します。このことは、塑性変形が生じる温度を低下を引き起こします。例えば、ナノスケールSi構造体では、100℃という常温付近の中温度領域でも転位発生・移動に伴う塑性変形が観察されました。この塑性変形挙動の寸法効果について、転位発生・移動に必要な熱活性エネルギの観点から、定量評価することに成功しています。 ■資料 4（pdfファイル）
【主要論文・発表】 ■“Plastic Deformation of Nanometric Single Crystal Silicon Wire in AFM Bending Test at Intermediate Temperatures”, T. Namazu, Y. Isono and T. Tanaka, Journal of Micro Electro Mechanical Systems, IEEE/ASME, Vol. 11, No. 2, pp. 125-135, 2002. ■“Evaluation of Size Effect on Mechanical Properties of Single Crystal Silicon by Nano-Scale Bending Test using AFM”, T. Namazu, Y. Isono and T. Tanaka, Journal of Micro Electro Mechanical Systems, IEEE/ASME, Vol. 9, No. 4, pp. 450-459, Dec., 2000. ■“AFM Bending Testing of Nanometric Single Crystal Silicon Wire at Intermediate Temperatures for MEMS”, Y. Isono, T. Namazu and T. Tanaka, Proc. of The 14th IEEE International Conference on MEMS 2001, IEEE, pp. 135-138, Interlaken, Switzerland, Jan., 2001. ■“Nano-Scale Bending Test for Si Beams for MEMS”, T. Namazu, Y. Isono and T. Tanaka, Proc. of The 13th IEEE International Conference on MEMS 2000, IEEE, pp. 205-210, Miyazaki, Japan, Jan., 2000.
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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。 ■資料 5（pdfファイル）【応用例】極小機械量センサ素子
【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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トップダウン成形したp型単結晶Siナノワイヤのせん断ピエゾ抵抗効果の解明
	単結晶Siのピエゾ抵抗係数は３つの独立した係数から成っている。ある電界が作用している状態の単結晶Siにせん断力が負荷されたとき、電流の大きさと方向によって、せん断ピエゾ抵抗係数が決定させる。寸法の大きなバルクSiでは、せん断ピエゾ抵抗係数を実験的に求めることは容易ですが、一次元ナノ細線では極めて困難です。本研究では、マイクロスケール構造体の上にSiナノワイヤをトップダウン形成し、マイクロ構造体自体にせん断力を負荷すればSiナノ細線にも同応力が作用する機構を開発しました。これにより、Siナノ細線のせん断ピエゾ抵抗係数を同定することに成功しました。 ■資料 6（pdfファイル）
【主要論文・発表】 ■“Direct Measurement of Shear Piezoresistance Coefficient on Single Crystal Silicon Nanowire by Asymmetrical Four-Point Bending Test”, T. Kimura, N. Saito, Toshimitsu Takeshita, K. Sugano, Y. Isono, Proc. of The 27th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS2014), pp. 600-603 (2014)
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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などが存在する。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 7（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)
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密度制御カーボンナノチューブ成長技術の確立
	CVD法によって多層カーボンナノチューブ（CNTs）を合成する技術を確立しています。とくに、触媒金属の分散法やリソグラフィ技術を用いることで、局所的にかつ密度を制御しながらCNTsを結晶成長させることに成功しています。本手法によって、CNTsのMEMSデバイス上への直接集積が可能になり、各種センサ開発に応用しています。
【主要論文・発表】 ■"Location and Density Control of Carbon Nanotubes Synthesized Using Ferritin Molecules", I. Hanasaki, T. Tanaka, Y. Isono, B. Zheng, Y. Uraoka, I. Yamashita, Japanese Journal of Applied Physics, Vol.50, 075102, 2011. ■"Adsorption Density Control of Ferritin Molecules by Multistep Alternate Coating", I. Hanasaki, Y. Isono, B. Zheng, Y. Uraoka, I. Yamashita, Japanese Journal of Applied Physics, vol.50, 065201, 2011.
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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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低コスト・大気中ナノ描画装置専用の自己駆動式マルチカンチレバーアレイの開発とナノパターニング技術の確立
	低コストで簡便にナノ描画ができるナノパターニングシステムを新開発しました。ナノ描画の原理は、原子間力顕微鏡に用いられるニードル（針）付きカンチレバーをナノスケールのペンに見立てながら、そのペンがレジスト基板上に接触した際にペン-基板間に電界印加させることで、レジストの主鎖分解反応または重合反応を促進し、ナノパターンを形成するものです。コア技術として、カンチレバーに熱アクチュエータとピエゾ抵抗センサを集積させ、かつ、20〜100本のカンチレバーを並列配置させた自己駆動式カンチレバーアレイデバイスの開発に成功しました。本デバイスは、原子間力顕微鏡に基づいて新開発されたナノパターニングシステムに設置され、50〜100nmのパターン幅を有する高精度なナノ描画を実現しました。 ■ 資料 8（pdfファイル）■ビデオ
【主要論文・発表】 ■“Thermal Actuated Multi-Probes Cantilever Array for Scanning Probe Parallel Nano Writing System”, N. Watanabe, Y. Isono, T.Kakinaga, T. Nagamura and T. Sasaki, Proc. of The 20th IEEE International Conference on MEMS 2007, IEEE, pp. 99-102, Kobe, Jan., 2007. ■“Scanning Probe Lithography with Negative and Positive Electron Beam Resist”, L. Anggraini,　B.　Tanaka, N. Matsuzuka, and　Y. Isono,Jpn. Appl. Phys., Vol. 52, 2013.
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硬質・軟質表面トポグラフィ計測のためのアクチュエータ搭載可変長SPMカンチレバーの開発
	タッピングモードAFM（原資間力顕微鏡）計測のスループットを向上させるため、種々の個体物質表面の硬さに合致した共振周波数を１つのカンチレバーで調節できる、静電アクチュエータ搭載可変長MEMSカンチレバーを新開発しました。カンチレバーを共振点付近で振動させながら、カンチレバー先端の針と固体物質表面とを接触させてナノスケールの凹凸を計測するタッピングモードAFMは、固体物質表面の硬さによって振動周波数を変える必要があります。市販のAFMでは、長さが異なる（共振周波数が異なる）カンチレバーを複数準備しておき、物質表面の硬さに適合したカンチレバーを選択する必要があり、計測時間を要します。新開発のMEMSカンチレバーにより、高スループットなタッピングモードAFM計測が可能になります。
【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)
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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 10（pdfファイル）
【主要論文・発表】 ■“MWCNT-Embedded MEMS Resonator Fabricated by Bio-MEMS Compatible Process for Rarefied Gas Sensing”, K. Sugano, R. Matsumoto, Y. Uraoka, I. Yamashita, Y. Isono, 2013 JSAP-MRS Joint Symposia, Symposium P: Biological and Bioconjugated Materials for Electronic Devices, 18a-M3-4 (2013). ■“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 MEMS 2013, Taipei, Jan. 20-24, 2013.
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低侵襲医療用MEMS触覚センサの開発
	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、MEMS触覚センサを開発しています。
金ナノ粒子合成のための高速２液混合マイクロリアクタデバイス
	マイクロポンプと十字型マイクロ流路を用いた3方向からの交互送液による高速脈動混合法を開発しました。 2液をマイクロポンプの高速切り替えにより交互に送液し，マイクロチャネル中で高速に混合します。 実験により，3.6msec（90%混合率）の混合時間を達成しています。反応速度の高い化学反応系に有効なマイクロミキサです。 　このリアクタを用いて，金ナノ粒子を塩化金酸と還元剤水溶液の２液混合により合成しました。 この反応は反応速度が高いため，混合速度が重要なパラメータと考えられます。 本研究では，混合速度が高くなるほど金ナノ粒子の粒径均一性が高まることを明らかにしました。 ■ 資料 11（pdfファイル）
【主要論文・発表】 ■"High-speed Pulsed Mixing in a Short Distance with High-frequency Switching of Pumping from Three Inlets", K. Sugano et al., Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol. 25, No. 8, 084003 (9p), 2015. ■"Mixing speed-controlled gold nanoparticle synthesis with pulsed mixing microfluidic system", K. Sugano et al., Microfluidics and nanofluidics, vol. 9, No. 6, pp. 1165-1174, 2010.
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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は所望のナノ粒子配列を実現する必要があります。 そのため，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。 　左図は表面増強ラマン分光（SERS）用に作製したナノ粒子二量体配列です。ナノ粒子二量体を作製することで， 巨大なラマン増強を実現でき，高感度なSERS分析が期待されます。 　本技術を使うことで，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】 ■"ナノテンプレートを用いた金ナノ粒子直鎖配列の作製と光学特性評価"，菅野公二他，電気学会論文誌（センサ・マイクロマシン部門誌），Vol.135-E, No. 11, pp. 474-475, 2015. ■"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
	超高感度な表面増強ラマン分光（SERS：Surface Enhanced Raman Spectroscopy）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（pMレベル）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。 【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，生体分子識別
【主要論文・発表】 ■"Ultrasensitive Surface-Enhanced Raman Spectroscopy with Directionally-Arrayed Gold Nanoparticle Dimers", K. Sugano et al., The 28th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS2015), Estoril, Portugal, Jan. 18-22 2015, pp.608-611. ■ "Highly-sensitive Surface-Enhanced Raman Spectroscopy with Directionally-Arrayed Gold Nanoparticle Dimers", K. Sugano et al., 27th International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC2014), Fukuoka, Japan, Nov. 4-7 2014, 7P-11-90.
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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. ■"金粒子配列ナノチャネルを用いた表面増強ラマン分光分析デバイス", 竹下俊光, 菅野公二他，電気学会論文誌（センサ・マイクロマシン部門誌）, Vol. 135-E, No. 6, pp. 214-220, 2015.
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金ナノ周期構造による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。
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