東京大学産学連携プロポーザル

この研究室では、セラミック結晶にナノ量子細線の束を導入することにより、絶縁体セラミックスに導電性を付与する技術を開発している。実験では、代表的な絶縁セラミックスであるサファイアを用い、これを高温、高圧下で処理することにより規則正しい結晶の皺を作り、その中に金属を浸透（拡散）させることにより、直径数nmの金属細線（ナノ量子細線）を１cm2あたり10億本という極めて高い密度で形成することに成功した。

この研究室では、最先端の高分解能分析電子顕微鏡法、収差補正走査透過電子顕微鏡法や ナノプローブ分析電子顕微鏡法などを駆使して、構造および機能セラミックスをはじめとする各種先端材料に関する原子および電子レベルでの構造解析技術を確立している。また、これらの構造解析データと粒界・界面での原子配列についての理論計算を併用することによって、新しい材料機能創出のための設計指針を得ている。

ナノプローブでは、微細構造の幾何学的形状情報ばかりではなく物性的情報を得ることが可能である。この研究室では、ナノプローブを光照射下にて動作させることによって、被測定試料の光学的特性を可視化・計測する研究に取り組んでいる。このような手法を応用して、太陽電池素子等を解析・診断する技術および装置の開発を行いたい。 ケルビンプローブフォース顕微鏡（KFM）は原子間力顕微鏡（AFM）をベースとした顕微鏡の一種であり、試料の表面形状とポテンシャル像を同時に得ることができる。このKFMを光照射下で用いれば、光起電力特性の計測や、その空間分布の観測が可能となる。図1は、光援用KFMで観察したCu(In,Ga)Se2化合物半導体太陽電池における(a)表面形状像と(b)暗状態での表面電位像、(c)光起電力像である。1mm程度の結晶粒やその粒界付近での光起電力分布が可視化されていることが見て取れる。また、光起電力測定の応用によって、太陽電池材料における重要な特性指標である少数キャリアの寿命や拡散長などの局所的計測にも成功している。一方、光照射に伴う被測定試料の熱膨張量をAFMにて観測する光熱分光計測の開発にも取り組んでいる。図2は、多結晶Si太陽電池上で観測した(a)表面形状像と(b)光熱信号像である。特定の結晶粒界近傍で、光熱信号が増大していることがわかる。これは、この粒界付近で、太陽電池での損失に対応する光励起キャリアの非発光再結合が促進されていることを示している。

ナノプローブを用いて微細構造の幾何学的形状情報ばかりではなく物性的情報（電気的、光学的情報等）を得るための研究を進めている。特長は、ナノプローブの持つ高い空間分解能を生かして、形状情報と同時に各種物性的情報を検知できることにあり、非破壊での評価、大気圧中での評価も可能である。これらの研究を応用して、LSI等、微細構造を有する電子デバイスに関する不良解析・診断技術の開発および装置の開発を行いたい。 磁気力顕微鏡（MFM）を用いて電流誘起磁場を観測する研究において、サブmm幅の微細金属電流路に1mA程度以下の電流を流したときの表面形状像、磁気力信号の振幅、位相成分の観測を通じて、磁気力信号強度と電流値との間によい比例関係があること、位相情報を利用して電流の向きを同定できること、などを確認している。また、カーボンナノチューブをチャネルとする電界効果トランジスタに同様の手法を適用している。図(a)、(b)は、それぞれ、ナノチューブチャネル周囲で観測した形状像と磁気力信号像であり、ナノチューブ近傍での磁気力信号の明瞭な変化が捉えられている。また、図(c)は、様々なバイアス条件に対する磁気力信号強度の依存性であり、トランジスタの電流-電圧特性に相当する。このように、個別ナノチューブチャネルにおける閾値電圧や伝達コンダクタンス特性などの解析が可能である。さらに、ネットワーク状のナノチューブチャネルの中から主たる電流経路の同定にも成功している。

この研究室では、以下のようなマイクロ・ナノエレクトロニクス分野における観察・測定に関する研究開発を行っている。 １．走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）と光の複合的利用 　　光誘起電流測定、光起電力マッピング ２．走査トンネル分光法（ＳＴＳ） 　　低次元系半導体材料中の新しい物理現象の観察 ３．新しい走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）手法の開発 　　画像獲得の高速化、性能向上のための新しい動作原理の提案 ４．導電性／磁性探針を用いた原子間力顕微鏡（ＡＦＭ） 　　形状と電流の同時測定、ケルビンプローブフォース顕微鏡（ＫＦＭ）による表面 　　電位の測定、磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）を利用した微小電流計測

ワイヤレス通信の分野では重要なリソースである周波数帯域は逼迫しており、通信の高速化・大容量化がますます困難となっている。本研究室では、様々なワイヤレス通信ネットワークについての研究を進めている。 例えば、「ナイキスト第一基準で表されるシンボルインターバルの限界を超える高速信号伝送技術」について研究をしている。この技術は、これまでのナイキスト基準に従う通信方法と異なり、送信シンボル間の干渉を許容することにより、周波数帯域を大幅に増加させることなく、シンボルレートを向上させることができる。また、高度な行列演算や周数領域信号技術などの信号処理を送受信機に適用することで、上記の性能向上を現実的なシステム環境において実現することを特徴とする。

プラズマの密度を測定する手段として静電プローブとマイクロ波干渉計がある。前者は簡便であるが測定プラズマを乱してしまうという欠点がある。後者は信頼性は高いが測定システムが複雑で空間的情報が得られないという欠点がある。マイクロ波透過計により簡単なシステムで局所的な密度情報を得られる可能性があるが、まだ、実際のプラズマで試験されていない。この手法はマイクロ波の透過率を周波数の関数として測定するもので、周波数可変の発振器と検出器から構成される。図は、プロセスプラズマへの適用の概念をしめしたものであり、プラズマへ入射されたマイクロ波は、基板で反射し、再びプラズマを透過して検出される。数値的、解析的な検討の結果、この手法は厚みが比較的薄く、長さ方向に一様なシート状のプラズマに対して有効であり、プロセスプラズマへの適用が期待される。

この研究室では、機能性薄膜や界面の開発と分析技術の研究を進めている。これまでに、高速イオンを用いた軽元素（特に水素）のナノメートルレベルの３次元空間分布測定法を開発した。この手法をさらにリチウムなどの元素への展開をはかりつつある。また，レーザー分光を用いた水素の分光法も開発している。  

本研究室では、海洋地球化学研究の一環として、海洋における微量金属元素（鉄・亜鉛・コバルト・銅など）の挙動に関する研究を行っている。海水中の微量元素、特に鉄は、その供給不足が海洋一次生産の制限因子となっている海域が存在する。しかし、その存在が極微量であるため、未知な点が多い。このような海水中の微量金属元素をより簡便に分析する方法の開発に現在取り組んでいる。 海水中の鉄を始めとする極微量金属元素の分析法として、電気化学的手法は有望であり、その改良によって新たな展開が可能になると期待されている。

この研究室では海底の地形、地磁気、重力やソナー画像の解析をもとに、海底がどのような歴史をたどって現在の姿になったのか、更にその背後にある物理過程は何なのかを研究している。現在の主な対象は新しい海底を生み出している中央海嶺や背弧の拡大プロセスである。 深海域の海底観測においては、船上からのリモートセンシング（音波、重磁力場）の分解能に限界があり、高精度探査のために無人・有人の潜水船や曳航型測器の充実が必須である。