Outline我々の研究室ではオプトエレクトロニクス材料、特に環境低負荷材料から構成される新規材料による光電変換素子に関する研究開発を行っています。研究は主に実験により行っており、その実験内容は物理気相成長法を駆使した薄膜創製から、得られた膜の構造および光電子物性評価、更には薄膜創製技術とリソグラフィーなどを組み合わせることによるデバイス試作とそのパフォーマンス評価まで、と極めて幅広いです。
Nanocrystalline Diamond物理気相成長法によるナノダイヤモンド薄膜の創製とその深紫外線受光素子および太陽電池への応用
・レーザーアブレーション法および同軸型アークプラズマ堆積法によるナノ微結晶ダイヤモンド薄膜の創製
・シンクロトロン光を用いた各種分光法および電子顕微鏡法による薄膜の構造評価
・光電変換素子の創製とそれらの太陽電池および深紫外受光素子としての評価
Semiconducting Iron disilicidesスパッタリング法による半導体鉄シリサイド薄膜の創製とそれらの近赤外受光素子および太陽電池への応用
・スパッタリング法によるベータ鉄シリサイドのシリコン基板上へのヘテロエピタキシャル成長とそれらの構造および光電子物性評価
・光電変換素子の作製と近赤外受光素子および太陽電池としての評価
Fe-Si SpintronicsFe-Si系の半導体相FeSi2および強磁性相Fe3Siからなるヘテロ構造による新規スピントロニクスデバイスの創製
・スパッタリング法による半導体/強磁性体 ヘテロ構造人工格子の作製
・Fe-Si系ヘテロ人工格子をベースとしたスピントロニクスデバイスの磁気および光電子物性評価
Cubic AlN立方晶AlxB1-xN薄膜の汎用単結晶基板上へのヘテロエピタキシャル成長とその単結晶ダイヤモンド薄膜成長のためのバッファ層としての応用
・反応性レーザーアブレーション法によるサファイヤ(0001)基板上への立方晶 AlxB1-xN薄膜のヘテロエピタキシャル成長
・ダイヤモンド薄膜の立方晶 AlxB1-xN薄膜上へのヘテロエピタキシャル成長の試み
加えて、「極限環境下のセンシングと極限性能の探求」をテーマとして掲げ、新たに研究を展開させている段階です。具体的には、以下の示す小テーマを有機的に連携させながら、これまでの研究からピポットする形で研究を展開しています。
１）宇宙などの極限環境下で動作する光電変換デバイスの創製に関する基盤研究
主に単結晶ダイヤモンドの半導体応用をターゲットとし、AISTやNIMSのダイヤモンドグループと連携しながらも、独自の技術の開発を行います。具体的には、本学池上研究研究室と着手していますが、ドーパントを含む溶液中でのレーザー誘起ドーピングをダイヤモンドに対して適用することです。新たなドーピング技術、またダイヤモンドの新規なオーミック接触形成技術としても期待されます。
全く別のアプローチとして、β-Ga2O3膜をスパッタリング法により単結晶ダイヤモンド上にヘテロエピ成長を行いヘテロpn接合ダイオードの形成を目指します。ダイヤモンドはn型化が、β-Ga2O3はp型化がそれぞれ極めて難しいので、p型単結晶ダイヤモンド基板上にn型β-Ga2O3膜をエピタキシャル成長できれば補完的なペアーになれます。β-Ga2O3は熱伝導が悪いために熱を蓄積しやすい問題を抱えていますがダイヤモンドと接合すればその問題が解消されること、さらにはダイヤモンドとβ-Ga2O3のバンドギャップはそれぞれ5.47、4.8-4.9 eVとそれほど差は無くヘテロ接合形成時に大きなバンドオフセットは発生しないこと、などのメリットがあります。スパッタリング装置のセットアップが終わり、まずはすでに成膜を始めました。極環境下で動作する深紫外受光デバイスへの応用が期待されます。
令和５年２月 スリーナット氏 博士論文
同軸型アークプラズマ成膜法によるリンドープ単結晶ダイヤモンド上へのナノカーボンオーミックコンタクトの形成
令和４年９月 シティマート氏 博士論文
耐放射線性電子素子への応用に向けたダイヤモンドベース整流器の材料プロセッシング
令和３年９月 エスラム氏 博士論文
単結晶ダイヤモンドへのレーザー誘起ドーピングの適用とダイヤモンド光デバイスの作製
２）ダイヤモンド格子中のNV（窒素-欠陥）センターを利用した高感度量子センシングおよびナノマーキングに関する研究
ダイヤモンド格子中に形成される量子センターは、量子コンピューティングや量子センシングへの応用が期待されています。ダイヤモンドの量子センターは、室温でしかもほぼ百パーセントの量子効率で発酵することが特徴です。本研究室では、ナノダイヤモンドを室温成長できる物理気相成長法の技術を生かして、量子センターの形成およびその応用に関する研究を展開しています。NVセンター形成技術の確立と高輝度化は、磁気センサーとして用いる場合の光検出磁気共鳴測定の感度と精度、またナノ粒子マーカーとして生体等に用いる場合の感度を決定づけるものです。NVセンター形成の大部分の研究が、単結晶ダイヤモンドにＮ原子をイオン注入することや、高エネルギー電子照射による欠陥形成により行われていますが、本研究ではこれまで蓄積してきたダイヤモンド創製に関する知見と技術を生かして、ナノダイヤモンドに関してはナノダイヤモンド成長中のNVセンター直接形成、単結晶ダイヤモンドに関してはレーザー照射によるNVセンターの形成を試みます。NVセンターを室温で高輝度発光させるためには、厳密にはNV0ではなくNV-を形成する必要がありますが、電子を供給するためのn型層との積層化など、性能改善の課題にも取り組んで行く予定です。
３）スピン流の検知とその能動的応用（スピンデバイス）に関する研究
スピン流をセンシングすることを基盤としたスピンを利用したデバイスを創製するための研究を行っています。スピン輸送長は、軽元素物質ほどスピン軌道相互作用が小さくなるために長くなります。現在、グラフェンやナノチューブが究極のスピン輸送媒体として注目を集めていますが、本研究では同じカーボン材料でもダイヤモンドに着目しています。厳密には単結晶ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド、およびナノ微結晶ダイヤモンド膜について調査を行っています。性能は前者ほど良いことが予想されますが、応用を考えた場合は後者ほど作製が容易です。グラフェンやナノチューブに比べてダイヤモンドは頑健であり、極限環境下で動作するスピンデバイスを創製できる可能性があります。
４） ダイヤモンドの優れた物性を生かした様々な応用
そのほかこれまでの研究の延長として、物質中で最高の硬度と熱伝導率を有すダイヤモンドを、レーザーおよびプラズマ技術を駆使することでその性能を極限まで引き出すことを目指しています。硬質被膜に用いられるダイヤモンド膜は多結晶であり、ランダムに配向したファセットにより表面が凸凹になります。この問題が克服され平滑な表面が得られれば、ダイヤモンドはハードコーティングとして極限性能を得ることになります。ダイヤモンドは化学的に極めて安定であるので、インプラントや人工関節などの生体応用にも展開できるようになります。一方、別の試みとして、表面平滑性には問題の無いUNCD膜の機械特性を、プラズマプロセスをはじめとするプロセス開発により極限まで高め、同応用を目指しています。これらは、産業界から大きな需要があり、産学連携で現在進行中です。
令和３年９月 アリ氏 博士論文
同軸型アークプラズマ堆積法による超ナノ微結晶ダイヤモンド膜の作製と硬質被膜への応用
令和５年９月 ラマ氏 博士論文
チタン基板上への同軸型アークプラズマ堆積法によるナノダイヤモンド薄膜の堆積と歯科インプラントへの応用
