名古屋大学は2024年8月9日、薄膜内極細結晶粒を制御することによる金属原子の大量輸送の原理を発見し、原子拡散を利用したアルミニウムナノワイヤーの大量森状成長手法を開発したと発表した。イオンビーム照射という簡便な方法で、狙った場所に純金属ナノワイヤーを成長させる手法で、まだ確立されていない金属ナノワイヤー製造技術につながる可能性がある。
研究グループは、金属薄膜内部の結晶粒に着目。イオンビーム照射によって薄膜表層のみの結晶粒を粗粒化させ、薄膜表層では粗粒、薄膜下層では細粒となる粒勾配を作り出して、この粒勾配が原子拡散の駆動力を増大させる引き金になるという仕組みを、有限要素解析による数値計算で明らかにした。
イオンビーム照射後に薄膜を加熱すると、原子はいくつかの過程を経て運搬されナノワイヤーに成長するための準備段階に入る。初期ステップとして、降伏応力の粒径依存性に由来して粒勾配が原子の上昇流を引き起こし、多くの原子を薄膜表面に運搬。その後のステップで、降伏応力の方位依存性に由来して特定粒に向かった原子の流れ込みが生じる。これらの原子の流れはいずれも静水圧応力勾配に基づいており、有限要素解析によって値を算出できる。そして、多くの原子をため込んだ粒は、それを解放するようにナノワイヤーとして成長していく。
研究グループはこうした方法で、ケイ素の基板上に堆積させたアルミニウムと酸化アルミニウムからなる薄膜から、最大で1平方センチメートル当たり1800万本のアルミニウムナノワイヤーを森のように成長させた。
純金属ナノワイヤーは、次世代センシングデバイスとしてのガスセンサーやバイオマーカー、次世代オプトエレクトロニクスとしてのプラズモン導波路への応用など、広範囲なマイクロナノデバイスの構成材料として注目されているが、量産法はまだ確立されていない。今回の成長プロセスは、原理的には他の金属にも応用が可能なことから、原子の自己組織化による金属ナノワイヤー製造技術の出発点になると期待される。
研究成果は同日、アメリカ科学振興協会の学術雑誌「Science」に掲載された。
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