片山研究室

大気環境の保全が重要な課題になるに伴い、ガス検知の高感度化が要求されている。本研究では、従来型センサー基板に単層カーボンナノチューブ（SWNT）を直接成長させることにより、超高感度ガスセンサーの作製に成功した。 環境汚染ガスをppbレベルで検知するためには、従来型の金属酸化物を用いた半導体式センサーではなく、センシングのコア材料として実効表面積の大きいSWNTを応用することが有望である。しかしながら、従来のSWNTガスセンサーでは、微細加工技術に大きく依存しているなど作製のスループットが低いものであった。本研究では、センサー基板にSWNTを直接成長させることでセンサーを高スループットで作製する技術を開発することに成功した。 作製されたセンサーは、室温で動作し、NO2やCl2ガスをppbレベルで高速に検知することが可能である。ガス吸着に伴う半導体のSWNTへの電荷移動によるキャリア密度変化の測定をガス検知原理としている。SWNT薄膜には金属のSWNTも混在しているが、電気的ブレイクダウン法により金属のSWNTを除去した結果、センサーの感度は一桁向上した。回復の点では、ヒータによる加熱で簡便に行うことが可能である。さらに、ガス濃度とセンサー応答の相関をラングミュアの吸着等温式による解析から見出し、これからNO2の検知限界は〜8 ppbと見積られた。このSWNT薄膜ガスセンサーは、作製方法が簡単で実用可能性が高いことから、従来型センサーを凌駕するものと期待される。

フィールドエミッションディスプレイを実用化するには、低電界で大電流が得られる電子エミッターの開発が不可欠である。本研究では、カーボンナノチューブ（CNT）束のピラーを高さとピラー間隔を最適化して配列させることにより、従来の報告値よりもはるかに低い閾値電界で駆動する高効率電子エミッターの作製に成功した。 高効率のCNT電子エミッターを開発するためには、先鋭な形状と高アスペクト比を利用することに加えて、最適な間隔でCNTを成長させることにより、効果的に電界集中を大きくする必要がある。しかしながら、１本１本のCNTの位置と高さを制御して成長させることは容易ではなかった。本研究では、1本のCNTの代わりに束状のCNTピラーに着目し、直接成長技術とフォトリソグラフィー技術を併用することにより、CNT束ピラーの高さと間隔を最適化して作製することが可能となった。 作製された電子エミッターは、1 V/μmの超低閾値電界（電流密度：10 mA/cm2）であることに加えて、面内の電子放出の均一性が高く、長寿命であることを特徴としている。得られた閾値電界は、これまで報告された値の1/2〜1/3であった。この超低閾値電界電子エミッターは、低消費電力フラットパネルディスプレイ、高輝度光源などの実用化に大きく貢献するものと期待される。

カーボンナノチューブ（CNT）を走査プローブ顕微鏡（SPM）のプローブとして応用すると、その性能が飛躍的に向上されるものと期待されている。本研究では、CNT探針に金属膜が被膜された新しいタイプのCNT探針を開発し、走査トンネル顕微鏡（STM）に応用した。 STMにおいては、その探針先端部の表面形態がデータの信頼性と再現性に大きな影響を与え、探針先端部の制御が懸案の課題である。そのため、CNT探針を採用する試みが行われてきたが、CNTと探針との接合部分の接触抵抗による導電性の劣化などの問題が顕在化し、STM探針への応用は困難とされてきた。本研究では、パルスレーザ蒸着法を用いてナノメーターオーダーの金属層をCNT探針に被膜することより、この問題の克服に成功した。 作製した金属被膜CNT探針を用いて、安定なSTM原子像のイメージングと原子位置分解走査トンネル分光スペクトル（STS）測定に成功し、高い信頼度と再現性を有するSTM探針として働くことを初めて実証した。さらに、CNT本来の機械的強度と柔軟性が維持されていることが明らかになった。この金属被膜CNT探針は、SPMプローブの他、微小領域の電気伝導測定プローブ応用に大きく貢献するものと期待される。