東北大ら、無欠陥シリコンナノピラー構造の作製に成功――あらゆる材料表面の濡れ性を自在に制御

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バイオテンプレートと中性粒子ビームを用いた量子ドット作製技術

東北大学、材料科学高等研究所(AIMR)、流体科学研究所(IFS)は2018年10月26日、均一で高密度な間隔制御された無欠陥シリコンナノピラー構造を作製することに成功したと発表した。この成果により、あらゆる材料表面の濡れ性を親水から撥水まで自在に制御できるという。

撥水性とは、水による濡れにくさであり、その研究は、建設資材、化粧品、繊維処理、エレクトロニクス、光学機器、ミリ波レーダーシステム、エネルギーデバイスなどの産業分野でも、極めて注目を集めている。

材料の表面における撥水性は、主に固体の表面自由エネルギーと表面の微細構造で決まる。そのため、これまでは蓮の葉の撥水効果を模倣した数μから数十μの微細構造などが検討されていた。しかし、そのサイズでは材料に依存する表面自由エネルギーとの組み合わせが不可欠だった。そして、表面の微細構造の制御だけで超撥水性表面を作り上げるためには、ナノサイズで制御された凹凸を製作する必要があった。

研究グループは今回、生体の微細構造を金属や半導体などで置き換えるバイオテンプレート技術と中性粒子ビーム加工技術を融合。世界で初めて直径10nm以下のSi、Ge、GaAs、GaN、グラフェンの超低損傷/高アスペクトエッチングを実現することに成功した。

中性粒子ビームエッチング技術

さらに、間隔や表面状態を制御して作製した無欠陥シリコンナノピラーの表面濡れ性を、接触角を用いて測定。表面を酸化した場合には超親水性、表面の酸化膜を除去した場合には高撥水性を示すことを確認した。

Siナノピラー構造

また、同方法は、トップダウン加工(ドライエッチング)であるため、材料を問わず作製でき、表面の欠陥も抑制できる。そのため、自在な濡れ性制御が不可能な表面コーティング技術に代わり、通信機器、光学機器、レンズ系などにも展開できるという。

作製したシリコンナノピラー構造による表面濡れ性の変化

研究グループは現在、中性粒子ビーム、バイオテンプレート技術についての装置の開発を複数の装置メーカーと進めており、本年度中に目処を付ける予定だという。また、長瀬産業が同技術を応用した市場開拓を目指しているとしている。

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