東京大学産学連携プロポーザル

微細加工技術の発達により、メカニカル構造体の微細化が進み、従来の光学式の手法では、その動特性を精度良く評価することが困難になってきている。当研究室では、ナノスケールのメカニカル構造体の高精度な動特性評価達成に向け、新たな振動計測技術の研究開発を進めている。具体的には、数nmの空間分解能での計測を可能とする電子ビームを利用した振動計測法（図１），原子スケールの空間分解能を持つ原子間力顕微鏡を活用した振動計測法（図２）に関する研究を行っている。

ナノメカニカル構造やフォトニック構造，バイオツールなどの作製を狙い、集束イオンビーム化学気相成長法(FIB-CVD)を活用した立体ナノ構造形成技術の研究開発を進めている。図１に示すようにsub100nm～数10μmの立体構造体をボトムアップ形成可能な技術である。原料ガス選択によりカーボン系，金属系など多様な材料で構造体の形成を行うことができる。これまでのところ、本技術のコアとなる描画技術やデバイス応用の基礎となる材料物性に関する研究を進めるとともに、微小部品操作のためのマニピュレータ作製や振動子センサ開発，単一細胞内小器官の操作計測のためのバイオツール作製などへの応用を行ってきた（図２）。

ナノメカニカル振動子は、振動を介し様々な微小物理量（変位，機械的・電磁気的力，温度，電荷，スピン等）を検出できることから、NEMS(Nanoelectromechanical systems)センサのキーコンポーネントとして期待されている素子である。当研究室では、ナノメカニカル構造のセンサへの応用を進めるとともに、その研究開発の鍵となるナノ構造作製技術，振動計測技術，ナノメカニカル構造体の特性解明，機能化に関する研究を行っている。 ナノメカニカル振動子の高性能化，センサ応用を行った例を紹介する。図１は、歪印可によりグラフェン振動子を高Q値化した例である。振動子に引張応力を印可することで、共振周波数の高周波数化に加え、センサ感度に関係するQ値を大幅に改善(現時点で24倍の高Q値化を達成)することができる。その他、形状や表面状態，材質を工夫することで、振動子の高性能化，高感度化に取り組んでいる。また、センサ応用の一例として、図２に波長計測素子を示す。光通信技術，分光技術などの材料評価技術への応用を狙った素子である。このように、ナノメカニカル構造を活用したセンサ素子，或いはその高性能化に関する研究を進めている。

　金属塩の水溶液を急速に超臨界状態にすると、金属塩の溶解度が急激に低下することで大きな過飽和度が与えられ、金属や金属酸化物のナノ粒子が生成する。この手法は超臨界水熱合成法と呼ばれ、粒径や分布を制御したナノ粒子を合成可能な技術として注目されている。 　この研究室では、イオン伝導体や誘電体、光触媒などの分野で応用が期待される複合酸化物ナノ粒子の合成について検討を進めている。特にBaZrO3ナノ粒子の合成について、ミリ秒オーダーでBa欠陥の多い構造が形成した後、秒オーダーでBaが取り込まれるという粒子の詳細な生成機構を明らかにし、反応時間の制御でナノ粒子の物性に大きく寄与するBa欠陥量の制御が可能であることを見出している。また酸化セリウムナノ粒子の合成について、温度に応じた晶析過程の違いを適切に利用することで、粒径分布を大きくせずにサイズを制御できる可能性を見出している。このように、ナノ粒子の生成機構の解明とそれに基づいたナノ粒子の物性制御を得意としている。 　また、超臨界水中ではナノ粒子と有機修飾剤が共存する場合、粒子表面をその場で修飾したナノ粒子の合成が可能である。このような有機修飾を行うことで、ポリマーへの良分散性を獲得することや、ドラッグデリバリーなどに利用することが可能となる。この研究室では、有機ケイ素化合物による表面修飾銅ナノ粒子・表面修飾酸化鉄ナノ粒子の合成が可能であることを見出しており、反応時間や修飾剤導入のタイミング等の制御による表面修飾量の制御を目指した検討を進めている。

　超臨界状態の水は、誘電率が低いことから、樹脂や油などの有機物をよく溶解する一方、金属などの無機物の溶解度は低い。この特徴を利用することで、有機物と有価金属が混合した廃棄物から、金属のみを効率的に分離回収することが可能になる。またこの時、有機物に関しては樹脂のモノマーや油として回収することや、処理に酸素を共存させることで二酸化炭素まで完全に酸化分解することが可能である。 　この研究室では、酸化鉄と研削油の混合物である製鉄スラッジからの酸化鉄回収や、シリコンと研削油の混合物であるシリコンスラッジからの金属シリコン回収、プリント基板からの金・銅回収、レントゲンフィルムからの銀化合物回収に本技術が有効であることを見出している。また、有機物が分解する際の金属との相互作用を利用することで回収資源の酸化数を変化させることが出来ることや、装置設計（半回分式装置の利用）により回収資源の純度を向上出来ることを明らかにしており、回収資源の付加価値向上に向けた方法論の検討を進めている。